冷却率相关的椭偏仪测量确定薄膜玻膜的动力学

该程序的总体目标是提供一种简单的方法来快速准确地测量超薄玻璃薄膜的玻璃化转变温度、表观膨胀系数和平均动力学。这种方法可以帮助回答聚合物玻璃领域中的关键问题，例如薄膜的动力学与块体的动力学如何相关。该技术的主要优点是它可以在单次高通量实验中计算聚合物超薄膜的玻璃化转变温度、表观活化系数和脆弱性。

虽然这里提供的示例主要集中在聚合物玻璃上，但这种方法可以更广泛地应用于研究其他类型玻璃（如有机分子玻璃和纳米复合材料）的厚膜和薄膜的特性。在需要测量玻璃化转变温度的前一天开始准备薄膜。准备好秤，以准确称量薄膜的材料。

该实验将使用聚苯乙烯和甲苯来制作薄膜。首先测量 40 毫克聚苯乙烯。加入 2 克甲苯，产生大约 100 纳米的薄膜。

解决方案放置一夜后，使用它来制作电影。将样品瓶移至通风橱中的旋涂机。在通风橱处，将溶液放在一边以备后用。

此外，请确保有甲苯可用于旋涂机。接下来，通过旋涂获得硅晶片以形成薄膜。该协议的硅晶片为 1 厘米 x 1 厘米。

将晶圆放入旋涂机中，以 8， 000 rpm 的速度旋转 45 秒。当晶片旋转时，将大约 1 毫升甲苯滴到其上。旋转 45 秒后停止旋涂机。

使用准备好的聚苯乙烯和甲苯溶液，开始逐滴加入硅表面。当覆盖整个表面时停止。在溶液干燥之前，以 4， 000 rpm 的速度旋转晶片 20 秒。

停止旋涂机，取出晶圆以测量薄膜厚度。使用椭偏仪确定薄膜厚度。首先将胶片放在椭偏仪舞台上并固定。

继续检查入射角、采集时间和其他设置。然后开始扫描。收集数据后，使用椭偏仪软件拟合椭偏角。

使用三层模型。第一层是衬底，在本例中为硅。第二层，第一层，是天然氧化物。

该层的厚度为 1.5 纳米。第三层，即第二层，是柯西模型，对应于聚苯乙烯薄膜的光学特性。折射率的柯西模型由此公式给出。

Lambda 是波长，A 和 B 是要从数据中确定的常数。对于透明材质，K 等于零。该模型返回薄膜厚度的测定结果，在本例中约为 105 纳米。

从椭偏仪中取出晶片，然后继续下一步。如果薄膜具有所需的厚度，请将晶圆放入真空烘箱中。将晶圆放入烘箱中，在 393 开尔文下退火 15 小时。

返回带有退火薄膜的椭偏仪。在准备样品台时将胶片放在一边。椭偏仪应配备可变温度台。

使用导热膏涂覆其加热元件的表面。接下来，将退火的聚苯乙烯薄膜放在加热元件上。然后将其紧紧夹入到位。

开始 100% 干燥氮气流过温度阶段。转到计算机和温度台软件以创建温度曲线。该图提供了温度曲线的概念。

温度沿纵轴。时间沿水平轴。样品交替加热至 393 开尔文和冷却至 293 开尔文。

温度上升等级始终为恒定的每分钟 150 开尔文，如恒定的陡峭上升斜率所示。斜坡下降随每个周期而变化。它开始得很快，然后减慢，如图中不断变化的下降斜率所示。

样品在首次达到 393 开尔文后保持 20 分钟。所有较晚的温度保持时间，在 393 开尔文和 293 开尔文，都是 5 分钟。留在计算机前完成实验设置。

使用椭偏仪软件创建与温度相关的椭圆偏振模型。衬底层是一个与温度相关的硅模型。第一层是 1.5 纳米的天然氧化物层。

第二层，即第三层，是聚苯乙烯薄膜的柯西模型。使用与温度相关的硅层设置。打开 Use Ext Temp from Parm Log"以允许使用温度阶段温度。

现在导航以便能够编辑硬件配置。将快速采集时间设置为 1 秒。此外，请选择 High-accuracy Zone averaging。

将正常采集时间设置为 3 秒。再次使用高精度区域平均。单击椭偏仪软件的 In Situ"选项卡。

选中 Fast Acquisition Time Mode（快速采集时间模式）复选框。按 Start Acquisition（开始采集）开始收集数据。在遵循温度曲线时监控数据收集。

在每分钟 3 Kelvin 的冷却斜坡之前，取消选中 Fast Acquisition"时间框。使用给定冷却斜坡的厚度与温度的测量值来计算玻璃化转变温度。在此样本曲线中，以红色突出显示的区域对应于过冷液体。

以蓝色突出显示的区域对应于玻璃状区域。线性拟合到这些区域相交的点定义了玻璃化转变温度。该样品是每摩尔聚苯乙烯 342 千克的 110 纳米聚苯乙烯薄膜。

冷却速率为每分钟 10 开尔文。以每分钟 1 开尔文的速度进行测量，得出的温度约为 372 开尔文。以下是 110 纳米聚苯乙烯薄膜的玻璃化转变温度与冷却速率的关系数据。

相同的数据使用左侧纵轴上的冷却速率对数用黑色圆圈绘制。正如经验关系所表明的那样，横轴在转变温度上为 1000。相比之下，红色方块是聚苯乙烯的体动力学，由介电光谱确定。

对于此数据，请参阅体 α 弛豫时间对数的右轴和水平轴，随温度变化为 1000。一旦掌握，如果执行得当，这项技术将需要五个小时。在尝试此过程时，请务必记住使用适当的材料模型，以便准确地拟合薄膜厚度和折射率的椭圆偏振值。

我首先在滑铁卢大学的 James Forrest 实验室尝试了这种研究聚合物薄膜的方法。然而，随着椭圆偏振技术的最新进展，我们现在能够将其用作一种高通量方法来研究广泛的系统，例如有机薄膜和新合成的分子。观看本视频后，您应该对如何制作聚合物薄膜以及计算玻璃化转变温度、膨胀系数和玻璃化转变附近弛豫时间的表观活化势垒有很好的了解。