Enfriamiento Puntúa Medidas Elipsometría Dependientes para determinar la dinámica de Thin Films vidriosos
Summary
A continuación, presentamos un protocolo para la refrigeración de los experimentos de tasas dependientes elipsometría, que pueden determinar la temperatura de transición vítrea (Tg), la dinámica de la media, la fragilidad y el coeficiente de dilatación del líquido super-enfriado y vidrio para una variedad de materiales vítreos.
Abstract
Este informe tiene como objetivo describir la técnica experimental de utilizar elipsometría para dependientes Tg (CR-T g) experimentos velocidad de enfriamiento. Estas mediciones son los experimentos de caracterización de alto rendimiento simples, que pueden determinar la temperatura de transición vítrea (T g), la dinámica de la media, la fragilidad y el coeficiente de expansión de los estados líquidos y vidriosos súper enfriado para una variedad de materiales vítreos. Esta técnica permite que estos parámetros a medir en un solo experimento, mientras que otros métodos deben combinar una variedad de diferentes técnicas para investigar todas estas propiedades. Las mediciones de la dinámica cierran a T g son particularmente desafiante. La ventaja de enfriamiento depende Tg mediciones de tasas sobre otros métodos que prueban directamente la dinámica granel y relajación superficie es que son experimentos relativamente rápida y sencilla, que no utilizan fluoróforos u otros ex complicadatécnicas experimentales. Además, esta técnica sondea la dinámica promedio de películas delgadas tecnológicamente relevantes en la temperatura y tiempo de relajación (τ α) regímenes correspondientes a la transición vítrea (τ α> 100 seg). La limitación a la utilización de elipsometría para la refrigeración de velocidad que depende T g experimentos es que no puede sondear los tiempos de relajación relevante para las mediciones de viscosidad (τ α << 1 seg). Otros T dependiente técnicas g de medición de tasas de enfriamiento, sin embargo, pueden extender el método CR-T g de tiempos de relajación más rápidos. Además, esta técnica se puede utilizar para cualquier sistema vítreo tanto tiempo como la integridad de la película permanece durante todo el experimento.
Introduction
El trabajo seminal de Keddie Jones y Corey 1 mostró que la temperatura de transición vítrea (Tg) de las películas de poliestireno ultra-delgadas disminuye con respecto al valor mayor a espesores inferiores a 60 nm. Desde entonces, muchos estudios experimentales 2-11 han apoyado la hipótesis de que las reducciones observadas en Tg son causadas por una capa de mayor movilidad, cerca de la superficie libre de estas películas. Sin embargo, estos experimentos son medidas indirectas de un solo tiempo de relajación, y por lo tanto hay un debate 12- 18 se centró en una correlación directa entre la dinámica de la media de película delgada y la dinámica en la interfase aire / polímero.
Para responder a este debate, muchos estudios han medido directamente la dinámica de la (superficie τ) superficie libre. Incorporación de nanopartículas, 19,20 nanohole relajación, 21 y 22 de fluorescencia estudios muestran que la interfaz de aire / polímero hcomo la dinámica órdenes de magnitud más rápido que el tiempo de relajación alfa granel (τ α) con una dependencia de la temperatura mucho más débil que la de τ α. Debido a su débil dependencia de la temperatura, la superficie τ de estas películas, 19-22 y mejoradas dinámica de películas de poliestireno delgadas, 23,24 intersecta la relajación alfa granel (τ α) en un solo punto T *, que es unos pocos grados por encima T g, y en un α τ ≈ de 1 seg. La presencia de T * podría explicar por qué los experimentos que prueban tiempos de relajación más rápido que * no ven ninguna dependencia de espesor en la Tg de las películas de poliestireno ultrafinas. 13-18 Por último, mientras que las mediciones directas de la demostración capa móvil mejorada que tiene un espesor de 4-8 nm, 20-22 hay evidencia de que la longitud de propagación de la dinámica en la interfase aire / polímero es mucho mayor que el espesor de la superficie móvil Layer. 5,25,26
Este informe tiene como objetivo describir completamente un protocolo para el uso de elipsometría para dependientes Tg (CR-T g) experimentos velocidad de enfriamiento. CR-Tg se han utilizado anteriormente para describir la dinámica promedio de películas ultrafinas de poliestireno. 23,24,27,28 Además, se utilizó recientemente esta técnica para mostrar una correlación directa entre la dinámica promedio en películas de poliestireno ultrafinas y la dinámica de la superficie libre. 23 La ventaja de g mediciones CR-T sobre otros tipos de medidas tales como la fluorescencia, la incrustación de nanopartículas, relajación nanohole, nanocalorimetria, espectroscopia dieléctrica y Brillouin dispersión de la luz, los estudios es que son relativamente rápido y experimentos simples que no utilizan fluoróforos u otras técnicas experimentales complicados. Los recientes avances en elipsometría espectroscópica permiten esta técnica para ser usada para determinar de manera eficiente el Propert ópticos de películas ultradelgadas de polímeros y otros tipos de materiales híbridos con una precisión excepcional. Como tal, esta técnica sondea la dinámica promedio de películas delgadas tecnológicamente aplicables en regímenes de temperatura y de tiempo relevantes para la transición vítrea (T ≤ T g, τ α ≥ 100 seg). Además, esta técnica proporcionará información sobre los coeficientes de expansión de la vidriosos y la cena enfriado estados líquidos, así como la fragilidad del sistema, que luego se puede comparar con los datos para las películas a granel. Por último, CR- T g experimentos se pueden usar para cualquier sistema vítreo tanto tiempo como la integridad de la película permanece durante todo el experimento.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mediciones g T dependiente de refrigeración-Rate son experimentos de caracterización de alto rendimiento que pueden determinar la Tg, el coeficiente de dilatación del vidrio y el líquido super-enfriado, la dependencia de temperatura de la dinámica de la media, y la fragilidad de un material vítreo particular en una experimento único. Además, a diferencia de la fluorescencia, la incrustación, o experimentos de relajación nanohole, CR-T g experimentos son relativamente rápida y …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a James A. Forrest ayuda en la idea inicial de esta técnica. 26 Este trabajo fue apoyado por la financiación de la Universidad de Pennsylvania y fue parcialmente apoyado por el programa MRSEC de la Fundación Nacional para la Ciencia en virtud de adjudicación. DMR-11- 20901 de la Universidad de Pennsylvania.
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 |
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