Kjøling hastighetsavhengige ellipsometry målinger for å bestemme Dynamics av ​​Thin Glassy Films

Summary

Her presenterer vi en protokoll for kjøling hastighetsavhengige ellipsometry eksperimenter, som kan bestemme glassovergangstemperatur (T _g), gjennomsnittlig dynamikk, skjørhet og utvidelseskoeffisienten til underkjølt væske og glass for en rekke av glassaktige materialer.

Abstract

Denne rapporten har som mål å fullt ut beskrive den eksperimentelle teknikken med å bruke ellipsometry for kjøling rente avhengige T _g (CR-T _g) eksperimenter. Disse målingene er enkle high-throughput karakteriseringseksperimenter, som kan bestemme glasstemperaturen (T _g), gjennomsnittlig dynamikk, skjørhet og utvidelseskoeffisienten av de superkjølte flytende og glassaktige tilstander for en rekke av glassaktige materialer. Denne teknikken gjør det mulig for disse parametre som skal måles i et enkelt eksperiment, mens andre fremgangsmåter må kombinere en rekke forskjellige teknikker for å undersøke alle disse egenskapene. Målinger av dynamikk nær T _g er spesielt utfordrende. Fordelen med kjølehastighetsavhengig T _g målinger over andre metoder som direkte probe bulk og overflateavspennings dynamikk er at de er forholdsvis raske og enkle forsøk, som ikke benytter fluoroforer eller annen komplisert experimental teknikker. Videre undersøker denne teknikken gjennomsnittlig dynamikken i teknologisk relevante tynne filmer i temperatur og tid for avslapping _(τ α) regimer som er relevante for glass _(τ α> 100 sek). Begrensningen til å bruke ellipsometry for avkjølingshastigheten avhengige T _g eksperimenter er at den ikke kan sondere relaksasjonstider som er relevante for målinger av viskositet _(τ α << 1 sek). Andre avkjølingshastigheten avhengig T _g måleteknikk, men kan forlenge CR-T _g metode til raskere relaksasjonstider. Videre kan denne teknikken bli anvendt for en hvilken som helst glassaktig system så lenge som integriteten av filmen fortsatt gjennom hele forsøket.

Introduction

Den brytende arbeid av Keddie Jones og Corey ¹ viste at glassovergangstemperatur (T _g) av ultratynne filmer polystyren avtar i forhold til den samlede mengde verdien ved tykkelser som er lavere enn 60 nm. Siden den gang er mange eksperimentelle studier ^2-11 støtter hypotesen om at den observerte reduksjon i T _g er forårsaket av et lag med økt mobilitet nær den frie overflaten av disse filmene. Men disse forsøkene er indirekte tiltak av en enkelt avslapping tid, og dermed er det en debatt ^{12- 18} sentrert på en direkte sammenheng mellom gjennomsnittlig tynnfilm dynamikk og dynamikken på luft / polymer-grensesnitt.

For å besvare denne debatten, har mange studier direkte målt dynamikken i den frie overflaten (τ _overflate). Nanopartikkel embedding, ^19,20 nanohole avslapping, ²¹ og fluorescens ^{22 studier} viser at luft / polymer-grensesnitt hsom dynamikk størrelsesordener raskere enn bulk alfa avslapping tid _(τ α) med en mye svakere temperaturavhengigheten enn for _τ α. På grunn av sin svake temperaturavhengighet, er τ _{overflaten av disse} filmene, ^19-22 og forbedret dynamikk tynne filmer polystyren, ^23,24 skjærer bulk alfa avslapping (τ _a) ved et enkelt punkt T *, som ligger noen få grader over T _g, og ved en _τ α av ≈ 1 sek. Tilstedeværelsen av T * kunne forklare hvorfor eksperimenter som probe avspennings ganger raskere enn * ikke klarer å se noen tykkelse avhengighet av T _g av ultra-tynne polystyren filmer. ^13-18 slutt, mens direkte målinger av den forbedrede mobile laget viser at det har en tykkelse på 4-8 nm, ^20-22 er det bevis på at forplantningslengden av dynamikken ved luft / polymer-grensesnittet er mye større enn tykkelsen av den mobile overflate Layer. ^5,25,26

Denne rapporten tar sikte på å full beskrive en protokoll for å bruke ellipsometry for kjøling rente avhengige T _g (CR-T _g) eksperimenter. CR-T _g er tidligere blitt brukt for å beskrive de gjennomsnittlige dynamikken i ultratynne filmer av polystyren. ^23,24,27,28 Videre ble denne teknikken nylig brukt til å vise en direkte korrelasjon mellom de gjennomsnittlige dynamikken i ultratynne filmer polystyren og dynamikken ved den frie overflaten. ²³ Fordelen med CR-T _g målinger over andre typer av målinger slik som fluorescens, nanopartikler innebygging, nanohole avslapping, nanocalorimetry, dielektrisk spektroskopi, og Brillouin lysspredning, er studier at de er relativt rask og enkle forsøk som ikke benytter fluoroforer eller andre kompliserte eksperimentelle teknikker. Nylige fremskritt innen spektroskopisk ellipsometry tillater denne teknikk å bli brukt til effektivt å bestemme den optiske Egentallet av ultra-tynne filmer av polymerer og andre typer hybridmaterialer med eksepsjonell presisjon. Som sådan, sonder denne teknikken den gjennomsnittlige dynamikken i teknologisk gjelder tynne filmer i temperatur og tid regimer som er relevante for glassovergangs (T ≤ T _{g, τ} α ≥ 100 sek). Videre vil denne teknikken gi informasjon om ekspansjonskoeffisienter av glassaktig og kveldsmat avkjølt flytende tilstander samt skjørheten i systemet, som deretter kan sammenlignes med data for bulk filmer. Til slutt kan CR- T _g eksperimenter brukes til noe glassaktig system så lenge som integriteten av filmen fortsatt gjennom hele forsøket.

Protocol

1. Film Forberedelse Veie 0,04 g av polystyren, og plasser i en 30 ml hetteglass. Vei 2 g toluen i hetteglasset. En 2 vekt% løsning av polystyren i toluen gir en film på ca. 100 nm. La løsningen sitte O / N å fullt oppløse isopor og la løsningene avgjøre. Plasser en 1 cm x 1 cm Silicon (Si) wafer på en Spin Coater. Snurr wafer ved 8000 rpm i 45 sek. Mens det er spinning, slippe ca 1 ml toluen på spinning wafer. Merk: Alle trinn som involverer spinnbelegg…

Representative Results

Fitting Raw Ellipsometry data Polystyren filmer er gjennomsiktige i bølgelengdeområdet fra ellipsometer (500-1,600 nm). Således er en Cauchy modellen er en god modell for å beskrive brytningsindeksen for polystyren-film. Figur 1A viser et eksempel på Ψ (λ) og Δ (λ) for en tykk (274 nm) film av polystyren, og den resulterende tilpasning til Cauchy modell <img alt="Ligning 1" src="/file…

Discussion

Kjøling-hastighetsavhengig T _g målinger med høy gjennomstrømning karakteriseringseksperimenter som kan bestemme T _g, utvidelse koeffisienten for glasset og underkjølt væske, vil temperatur-avhengigheten av gjennomsnittlig dynamikk, og skjørheten av en bestemt glassaktig materiale i en enkelt eksperiment. Videre, i motsetning til fluorescens, innstøping, eller nanohole avspennings eksperimenter, CR-t _g eksperimenter er relativt rask og enkel, fordi de ikke utnytter fluoroforer ell…

Materials

Toluene	Sigma Aldrich	179418-1L	This can be purchased from any chemical company.
Atactic Polystyrene	Polymer Source Inc.	P-4092-S	This can be purchased from any chemical company.
THMS 600 temperature stage	Linkam	THMS 600	any temperature stage that can be fit to an ellipsometer could be used.
M2000V Spectroscopic Ellipsometer	J.A. Woollam	M200V	This procedure should be applicable for any spectroscopic ellipsometer.
Spin Coater	Laurell Technologies	WS-650-23B	This Procedure is possible with any spin coater
Sample vials	Fisher Scientific	02-912-379	Any sample vials will do
Silicon wafers	Virginia semi conductors	325S1410694D