Kühlrate Dependent Ellipsometriemessungen die Dynamik des Thin Glassy Films zu ermitteln

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, eine einfache Methode zur schnellen und genauen Messung der Glasübergangstemperatur, des scheinbaren Ausdehnungskoeffizienten und der durchschnittlichen Dynamik ultradünner glasartiger Schichten bereitzustellen. Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen im Bereich des Polymerglases zu beantworten, z. B. wie sich die Dynamik von Dünnschichten zu der des Volumens verhält. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Glasübergangstemperatur, die scheinbaren Aktivierungskoeffizienten und die Fragilitäten von ultradünnen Polymerschichten in einem einzigen Hochdurchsatzexperiment berechnen kann.

Während sich das hier gegebene Beispiel hauptsächlich auf Polymergläser konzentriert, kann dieses Verfahren breiter angewendet werden, um die Eigenschaften von dicken und dünnen Schichten anderer Arten von Gläsern, wie z. B. Gläsern mit organischen Molekülen und Nanokompositen, zu untersuchen. Beginnen Sie mit der Vorbereitung der Folie einen Tag, bevor sie für die Messung der Glasübergangstemperatur benötigt wird. Halten Sie eine Waage bereit, um das Material für die Folie genau abzuwiegen.

In diesem Experiment werden Polystyrol und Toluol verwendet, um die Folie herzustellen. Beginnen Sie mit der Messung von 40 Milligramm Polystyrol. Fügen Sie zwei Gramm Toluol hinzu, um einen etwa 100 Nanometer großen Film herzustellen.

Nachdem die Lösung über Nacht eingewirkt ist, verwenden Sie sie, um einen Film zu erstellen. Bringen Sie das Fläschchen in einen Schleudercoater, der sich in einem Abzug befindet. Legen Sie die Lösung am Abzug für den späteren Gebrauch beiseite.

Stellen Sie außerdem sicher, dass Toluol für die Verwendung mit dem Schleudercoater bereit ist. Als nächstes besorgen Sie sich einen Siliziumwafer, auf dem Sie den Film durch Spin-Coating herstellen können. Der Siliziumwafer für dieses Protokoll ist einen Zentimeter mal einen Zentimeter groß.

Legen Sie den Wafer in den Spin Coater und drehen Sie ihn 45 Sekunden lang mit 8.000 U/min. Während sich der Wafer dreht, tropfen Sie etwa einen Milliliter Toluol darauf. Stoppen Sie den Schleudercoater nach 45 Sekunden Schleudern.

Verwenden Sie die vorbereitete Polystyrol-Toluol-Lösung und beginnen Sie, sie tropfenweise auf die Silikonoberfläche zu geben. Stoppen Sie, wenn die gesamte Oberfläche bedeckt ist. Bevor die Lösung trocknet, drehen Sie den Wafer 20 Sekunden lang bei 4.000 U/min.

Stoppen Sie den Spin-Coater und entfernen Sie den Wafer, um die Schichtdicke zu messen. Bestimmen Sie die Schichtdicke mit einem Ellipsometer. Beginnen Sie damit, die Folie auf den Ellipsometertisch zu legen und zu befestigen.

Fahren Sie fort, indem Sie den Einfallswinkel, die Erfassungszeit und andere Einstellungen überprüfen. Starten Sie dann den Scan. Verwenden Sie nach dem Sammeln der Daten die Ellipsometer-Software, um die ellipsometrischen Winkel anzupassen.

Verwenden Sie ein dreischichtiges Modell. Die erste Schicht ist das Substrat, in diesem Fall Silizium. Die zweite Schicht, Schicht Nummer eins, ist ein natives Oxid.

Die Schicht hat eine Dicke von 1,5 Nanometern. Die dritte Schicht, Schicht Nummer zwei, ist ein Cauchy-Modell, das den optischen Eigenschaften von Polystyrolfolie entspricht. Das Cauchy-Modell für den Brechungsindex ergibt sich aus dieser Formel.

Lambda ist die Wellenlänge, und A und B sind Konstanten, die aus Daten bestimmt werden sollen. K ist gleich Null für ein transparentes Material. Das Modell liefert eine Bestimmung der Schichtdicke, in diesem Fall etwa 105 Nanometer.

Entfernen Sie den Wafer aus dem Ellipsometer und fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort. Wenn die Folie die gewünschte Dicke hat, bringen Sie den Wafer in einen Vakuumofen. Legen Sie die Waffel in den Ofen und glühen Sie sie 15 Stunden lang bei 393 Kelvin.

Kehren Sie mit der geglühten Folie zum Ellipsometer zurück. Legen Sie die Folie beiseite, während Sie die Probenstufe vorbereiten. Das Ellipsometer sollte mit einer variablen Temperaturstufe ausgestattet sein.

Verwenden Sie eine Wärmeleitpaste, um die Oberfläche des Heizelements zu beschichten. Legen Sie anschließend die geglühte Polystyrolfolie auf das Heizelement. Klemmen Sie es dann fest ein.

Starten Sie einen Fluss von 100 % trockenem Stickstoff durch die Temperaturstufe. Wenden Sie sich an den Computer und die Temperaturstufensoftware, um ein Temperaturprofil zu erstellen. Diese Abbildung gibt eine Vorstellung vom Temperaturprofil.

Die Temperatur verläuft entlang der vertikalen Achse. Die Zeit verläuft entlang der horizontalen Achse. Die Probe wird abwechselnd auf 393 Kelvin erhitzt und auf 293 Kelvin abgekühlt.

Der Temperaturanstieg beträgt immer konstant 150 Kelvin pro Minute, was durch die konstante steile Steigung angezeigt wird. Das Herunterfahren variiert mit jedem Zyklus. Er beginnt schnell und verlangsamt sich dann, wie die wechselnden Gefälle in der Abbildung zeigen.

Die Probe wird 20 Minuten lang aufbewahrt, nachdem sie zum ersten Mal 393 Kelvin erreicht hat. Alle späteren Temperaturhaltezeiten, sowohl bei 393 Kelvin als auch bei 293 Kelvin, betragen fünf Minuten. Bleiben Sie am Computer, um die Einrichtung des Experiments abzuschließen.

Verwenden Sie die Ellipsometer-Software, um ein temperaturabhängiges Ellipsometriemodell zu erstellen. Bei der Substratschicht handelt es sich um ein temperaturabhängiges Siliziummodell. Schicht Nummer eins ist eine 1,5 Nanometer große native Oxidschicht.

Schicht Nummer zwei, die dritte Schicht, ist das Cauchy-Modell für Polystyrolfolie. Arbeiten Sie mit den temperaturabhängigen Einstellungen für die Siliziumschicht. Aktivieren Sie die Option "Ext Temp from Parm Log verwenden", um die Verwendung der Temperatur der Temperaturstufe zu ermöglichen.

Navigieren Sie nun, um die Hardwarekonfigurationen bearbeiten zu können. Stellen Sie die schnelle Erfassungszeit auf eine Sekunde ein. Wählen Sie außerdem die Zonenmittelung mit hoher Genauigkeit aus.

Stellen Sie die normale Erfassungszeit auf drei Sekunden ein. Verwenden Sie auch hier die hochgenaue Zonenmittelung. Klicken Sie auf die Registerkarte "In Situ" der Ellipsometer-Software.

Aktivieren Sie das Kontrollkästchen "Schneller Erfassungszeitmodus". Drücken Sie "Erfassung starten", um mit der Datenerfassung zu beginnen. Überwachen Sie die Datenerfassung, während das Temperaturprofil verfolgt wird.

Deaktivieren Sie kurz vor der Kühlrampe von drei Kelvin pro Minute das Kontrollkästchen "Schnelle Erfassung". Verwenden Sie Messungen der Dicke in Abhängigkeit von der Temperatur für eine bestimmte Kühlrampe, um die Glasübergangstemperatur zu berechnen. In dieser Probenkurve entspricht der rot markierte Bereich der unterkühlten Flüssigkeit.

Der blau markierte Bereich entspricht dem glasigen Regime. Der Punkt, an dem sich lineare Anpassungen an diese Bereiche schneiden, definiert die Glasübergangstemperatur. Bei dieser Probe handelt es sich um eine 110 Nanometer große Polystyrolfolie mit einem Gewicht von 342 Kilogramm Polystyrol pro Mol.

Die Abkühlgeschwindigkeit beträgt 10 Kelvin pro Minute. Messungen mit einem Kelvin pro Minute ergeben eine Temperatur von etwa 372 Kelvin. Hier sind die Daten der Glasübergangstemperatur im Vergleich zur Abkühlrate für eine 110 Nanometer dicke Schicht aus Polystyrol.

Dieselben Daten werden mit schwarzen Kreisen dargestellt, wobei der Logarithmus der Abkühlgeschwindigkeit auf der linken vertikalen Achse verwendet wird. Die horizontale Achse beträgt 1000 über der Sprungtemperatur, wie eine empirische Beziehung nahelegt. Zum Vergleich: Die roten Quadrate sind die Volumendynamik von Polystyrol, wie sie durch dielektrische Spektroskopie bestimmt wurde.

Für diese Daten beziehen Sie sich auf die rechte Achse des Protokolls der Alpha-Relaxationszeit und die horizontale Achse, 1000 über der Temperatur. Sobald diese Technik gemeistert ist, dauert es fünf Stunden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Wenn Sie dieses Verfahren ausprobieren, ist es wichtig, daran zu denken, ein geeignetes Materialmodell zu verwenden, damit Sie die Ellipsometriewerte für die Dicke und den Brechungsindex der Schicht genau anpassen.

Ich habe diese Methode zur Untersuchung von Polymer-Dünnschichten zum ersten Mal im Labor von James Forrest an der University of Waterloo ausprobiert. Mit den jüngsten Fortschritten in der Ellipsometrie-Technologie sind wir nun jedoch in der Lage, diese Methode als Hochdurchsatzmethode zu nutzen, um breite Systeme wie organische Dünnschichten und neu synthetisierte Moleküle zu untersuchen. Nach diesem Video sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man einen Polymer-Dünnfilm herstellt und die Glasübergangstemperatur, den Ausdehnungskoeffizienten und die scheinbare Aktivierungsbarriere für die Relaxationszeit in der Nähe des Glasübergangs berechnet.