Arrefecimento Medidas de freqüência Elipsometria Dependentes para determinar a dinâmica de finas Glassy Films

Summary

Aqui, apresentamos um protocolo para o arrefecimento das taxas de experimentos dependentes elipsometria, que pode determinar a temperatura de transição _vítrea (Tg), dinâmica de fragilidade e médios, o coeficiente de expansão do líquido super-resfriado e vidro para uma variedade de materiais vítreos.

Abstract

Este relatório tem como objetivo descrever totalmente a técnica experimental de usar elipsometria para o arrefecimento da taxa dependente T _g (CR-T _g) experimentos. Estas medições são experiências de caracterização de alto rendimento simples, que pode determinar a temperatura de transição vítrea (T _g), dinâmica médios, fragilidade e o coeficiente de expansão dos estados líquido e super-arrefecida vítreos para uma variedade de materiais vítreos. Esta técnica permite a estes parâmetros a serem medidos numa única experiência, enquanto que outros métodos de combinar uma variedade de técnicas diferentes para investigar todas estas propriedades. As medições da dinâmica fechar a _Tg é particularmente difícil. A vantagem da taxa de resfriamento medições dependentes T _{g ao longo de} outros métodos que sondam directamente dinâmica a granel e de relaxação de superfície é que elas são experiências relativamente rápida e simples, que não utilizam fluoróforos ou outro ex complicadotécnicas rimentais. Além disso, esta técnica de sondas médias a dinâmica de películas finas tecnologicamente relevantes de temperatura e tempo de relaxação _(τ α) que sejam relevantes para a transição de vidro _(τ α> 100 seg). A limitação ao uso de elipsometria de arrefecimento de taxa dependente T _g experiências é que ele não pode sondar tempos de relaxação relevantes para medições de viscosidade _(τ α << 1 seg). Outras técnicas de medição dependente T _g da taxa de arrefecimento, no entanto, pode estender o método _g CR-T para tempos de relaxação mais rápidos. Além disso, esta técnica pode ser usado para qualquer sistema vítreo, desde que a integridade da película mantém-se durante todo o experimento.

Introduction

O trabalho seminal de Keddie Jones e Corey ¹ mostrou que a temperatura de transição vítrea _(Tg) dos filmes finos de poliestireno ultra-diminui em relação ao valor de grandes quantidades a uma espessura inferior a 60 nm. Desde então, diversos estudos experimentais ^2-11 apoiaram a hipótese de que as reduções observadas na _Tg são causadas por uma camada de mobilidade aumentada próximo da superfície livre desses filmes. No entanto, estas experiências são medidas indirectas de um único tempo de relaxamento, e, portanto, existe um debate ^{12- 18} centrado sobre uma correlação directa entre o número de dinâmica de película fina e da dinâmica na interface ar / polímero.

Para responder a este debate, muitos estudos têm medido diretamente a dinâmica da superfície livre _(superfície τ). Incorporação de nanopartículas, ^19,20 nanohole ^relaxamento, 21 e ²² de fluorescência estudos mostram que o ar / polímero de interface hcomo dinâmica ordens de grandeza mais rápido do que o tempo de relaxamento alfa granel _(τ α) com uma dependência da temperatura muito mais fraca do que a de _τ α. Devido à sua fraca dependência da temperatura, _a superfície τ desses filmes, ^19-22 e dinâmica melhoradas de filmes finos de poliestireno, ^23,24 intersecta o relaxamento alfa granel (τ _ct) a um único ponto T *, o qual é poucos graus acima T _g, e a uma _{α τ} ≈ de 1 seg. A presença de T * poderia explicar por que experiências que sondam tempos de relaxação mais rápido do que * não conseguem ver qualquer dependência espessura na T _g de filmes ultrafinos de poliestireno. ^13-18 Por último, enquanto medições diretas da camada reforçada espetáculo móvel que tem uma espessura de 4-8 ^nm, 20-22, há evidências de que o comprimento de propagação da dinâmica na interface ar / polímero é muito maior do que a espessura da superfície móvel Layer. ^5,25-26

Este relatório tem como objetivo descrever completamente um protocolo para o uso de elipsometria para o arrefecimento da taxa dependente T _g (CR-T _g) experimentos. _CR-Tg foram anteriormente utilizados para descrever a dinâmica médios de filmes ultra-finos de poliestireno. ^23,24,27,28 Além disso, esta técnica foi usada recentemente para mostrar uma correlação directa entre a dinâmica médios em filmes ultrafinos de poliestireno , e a dinâmica na superfície livre ²³ A vantagem de CR-T medições _{de g} sobre outros tipos de medições, tais como fluorescência, nanopartículas incorporação, nanohole relaxamento, nanocalorimetry, espectroscopia de dieléctrico, e de Brillouin espalhamento de luz., estudos é que eles são relativamente rápidos e experiências simples que não utilizam fluoróforos ou outras técnicas experimentais complicados. Os avanços recentes em elipsometria espectroscópica permitir que esta técnica para ser utilizado para determinar a eficiência óptica properts de filmes ultra-finos de polímeros e outros tipos de materiais híbridos com precisão excepcional. Como tal, esta técnica investiga a dinâmica médios de filmes finos tecnologicamente aplicável em regimes de temperatura e de tempo relevantes para a transição vítrea _(Tg ≤, _τ α ≥ 100 seg). Além disso, esta técnica fornece informação sobre os coeficientes de expansão do vítreo e ceia arrefecida estados líquidos, assim como a fragilidade do sistema, o qual pode então ser comparado com os dados para os filmes a granel. Finalmente, experiências _g CR T pode ser usado para qualquer sistema vítreo, desde que a integridade da película mantém-se durante todo o experimento.

Protocol

1. Preparação de Cinema Pesar 0,04 g de poliestireno, e colocar num frasco de 30 ml. Pesar 2 g de tolueno para dentro do frasco. Uma solução a 2% em peso de poliestireno em tolueno produz um filme de cerca de 100 nm. Deixe a solução sit O / N para dissolver totalmente o poliestireno e deixar que as soluções resolver. Coloque uma pastilha de 1 cm x 1 cm de silício (Si) para um Revestidor rotação. Girar a bolacha a 8.000 rpm durante 45 seg. Enquanto está giran…

Representative Results

Fitting Raw Elipsometria Dados Filmes de poliestireno são transparentes na faixa de comprimento de onda da elipsómetro (500-1,600 nm). Assim, um modelo de Cauchy é um bom modelo para descrever o índice de refracção das películas de poliestireno. A Figura 1A mostra um exemplo de Ψ (λ) e Δ (λ) para uma espessura (274 nm) de filme de poliestireno, e o ajuste resultante à modelo Cauchy…

Discussion

Arrefecimento da taxa de medições _{g T} dependentes são experiências de caracterização de alto rendimento que podem determinar _a Tg, o coeficiente de dilatação do vidro e o líquido super-resfriado, a dependência da temperatura da dinâmica médios, e a fragilidade de um material vítreo particular numa experiência única. Além disso, ao contrário de fluorescência, a incorporação, ou experiências de relaxação nanohole, _g experiências CR-T são relativamente simples e rá…

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