Enfriamiento Puntúa Medidas Elipsometría Dependientes para determinar la dinámica de Thin Films vidriosos

El objetivo general de este procedimiento es proporcionar un método simple para medir de manera rápida y precisa la temperatura de transición vítrea, el coeficiente de expansión aparente y la dinámica promedio de películas vítreas ultradelgadas. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en un campo de vidrio polimérico, como cómo se relacionan la dinámica de las películas delgadas con las de la mayor parte. La principal ventaja de esta técnica es que puede calcular la temperatura de transición vítrea, los coeficientes de activación aparentes y las fragilidades de las películas ultrafinas de polímeros en un solo experimento de alto rendimiento.

Si bien el ejemplo proporcionado aquí se centra principalmente en los vidrios poliméricos, este método se puede aplicar de manera más amplia para estudiar las propiedades de las películas gruesas y delgadas de otros tipos de vidrios, como los vidrios de moléculas orgánicas y los nanocompuestos. Comience a preparar la película un día antes de que sea necesaria para las mediciones de temperatura de transición vítrea. Tenga una báscula lista para pesar con precisión los materiales para la película.

Este experimento utilizará poliestireno y tolueno para crear la película. Comienza midiendo 40 miligramos de poliestireno. Agregue dos gramos de tolueno para producir una película de aproximadamente 100 nanómetros.

Después de que la solución haya reposado toda la noche, úsala para crear una película. Mueva el vial a un recubridor giratorio que esté en una campana extractora. En la campana extractora, deje la solución a un lado para su uso posterior.

Además, asegúrese de que haya tolueno listo para usar con el recubridor giratorio. A continuación, obtenga una oblea de silicona para crear la película mediante un recubrimiento giratorio. La oblea de silicio para este protocolo es de un centímetro por un centímetro.

Coloque la oblea en el recubridor giratorio y gírela a 8.000 rpm durante 45 segundos. A medida que la oblea gira, deja caer aproximadamente un mililitro de tolueno sobre ella. Detenga el recubrimiento giratorio después de 45 segundos de centrifugado.

Use la solución preparada de poliestireno y tolueno, y comience a agregarla gota a gota a la superficie de silicona. Deténgase cuando toda la superficie esté cubierta. Antes de que la solución se seque, gire la oblea a 4.000 rpm durante 20 segundos.

Detenga el recubridor giratorio y retire la oblea para medir el espesor de la película. Determine el espesor de la película usando un elipsómetro. Comience colocando la película en la platina del elipsómetro y asegurándola.

Continúe comprobando el ángulo de incidencia, el tiempo de adquisición y otros ajustes. A continuación, comience el escaneo. Después de recopilar datos, utilice el software del elipsómetro para ajustar los ángulos elipsométricos.

Utilice un modelo de tres capas. La primera capa es el sustrato, en este caso, el silicio. La segunda capa, la capa número uno, es un óxido nativo.

La capa tiene un grosor de 1,5 nanómetros. La tercera capa, la capa número dos, es un modelo de Cauchy, que corresponde a las propiedades ópticas de la película de poliestireno. El modelo de Cauchy para el índice de refracción viene dado por esta fórmula.

Lambda es la longitud de onda, y A y B son constantes que se determinarán a partir de los datos. K es igual a cero para un material transparente. El modelo devuelve una determinación del espesor de la película, en este caso, de unos 105 nanómetros.

Retire la oblea del elipsómetro y continúe con el siguiente paso. Si la película tiene el grosor deseado, lleve la oblea a un horno de vacío. Coloque la oblea en el horno y recocé durante 15 horas a 393 Kelvin.

Regrese al elipsómetro con la película recocida. Deje la película a un lado mientras prepara la etapa de muestra. El elipsómetro debe estar equipado con una etapa de temperatura variable.

Utilice una pasta térmica para cubrir la superficie de su elemento calefactor. A continuación, coloque la película de poliestireno recocido sobre el elemento calefactor. A continuación, sujétalo firmemente en su lugar.

Inicie un flujo de nitrógeno 100% seco a través de la etapa de temperatura. Recurra a la computadora y al software de la etapa de temperatura para crear un perfil de temperatura. Esta figura proporciona una idea del perfil de temperatura.

La temperatura se encuentra a lo largo del eje vertical. El tiempo está a lo largo del eje horizontal. La muestra se calienta alternativamente a 393 Kelvin y se enfría a 293 Kelvin.

El grado de aumento de temperatura es siempre de 150 Kelvin constantes por minuto, como lo indica la pendiente ascendente empinada constante. La rampa de descenso varía con cada ciclo. Comienza rápido, luego se ralentiza, como lo indican las pendientes descendentes cambiantes en la figura.

La muestra se mantiene durante 20 minutos después de que alcanza por primera vez los 393 Kelvin. Todos los tiempos de mantenimiento de temperatura posteriores, tanto a 393 Kelvin como a 293 Kelvin, son de cinco minutos. Permanezca frente a la computadora para completar la configuración del experimento.

Utilice el software del elipsómetro para crear un modelo de elipsometría dependiente de la temperatura. La capa de sustrato es un modelo de silicio dependiente de la temperatura. La capa número uno es una capa de óxido nativo de 1,5 nanómetros.

La capa número dos, la tercera capa, es el modelo Cauchy para la película de poliestireno. Trabaje con la configuración de la capa de silicio en función de la temperatura. Active "Usar temperatura ext de Parm Log" para permitir el uso de la temperatura de la etapa de temperatura.

Ahora navegue para poder editar las configuraciones de hardware. Establezca el tiempo de adquisición rápida en un segundo. Además, seleccione el promedio de zona de alta precisión.

Establezca el tiempo de adquisición normal en tres segundos. Una vez más, utilice el promedio de zona de alta precisión. Haga clic en la pestaña "In Situ" del software del elipsómetro.

Marque la casilla "Modo de tiempo de adquisición rápida". Presione "Iniciar adquisición" para comenzar a recopilar datos. Supervise la recopilación de datos a medida que se sigue el perfil de temperatura.

Justo antes de la rampa de enfriamiento de tres Kelvin por minuto, desmarque la casilla de tiempo "Adquisición rápida". Utilice las mediciones del espesor en función de la temperatura de una rampa de enfriamiento determinada para calcular la temperatura de transición vítrea. En esta curva de muestra, la región resaltada en rojo corresponde al líquido superenfriado.

La región resaltada en azul corresponde al régimen vítreo. El punto donde se cruzan los ajustes lineales a estas regiones define la temperatura de transición vítrea. Esta muestra es una película de poliestireno de 110 nanómetros de poliestireno de 342 kilogramos por mol

La velocidad de enfriamiento es de 10 Kelvin por minuto. Las mediciones a un Kelvin por minuto dan una temperatura de aproximadamente 372 Kelvin. Estos son los datos de la temperatura de transición vítrea frente a la velocidad de enfriamiento de una película de poliestireno de 110 nanómetros.

Estos mismos datos se trazan con círculos negros utilizando el registro de la velocidad de enfriamiento en el eje vertical izquierdo. El eje horizontal es 1000 sobre la temperatura de transición, como sugiere una relación empírica. A modo de comparación, los cuadrados rojos son la dinámica a granel del poliestireno, determinada por espectroscopia dieléctrica.

Para estos datos, consulte el eje derecho del logaritmo del tiempo de relajación alfa a granel y el eje horizontal, 1000 sobre temperatura. Una vez dominada, esta técnica tomará cinco horas si se realiza correctamente. Al intentar este procedimiento, es importante recordar utilizar un modelo de material adecuado, de modo que se ajuste con precisión a los valores de elipsometría para el grosor y el índice de refracción de la película.

La primera vez que probé este método de estudio de películas delgadas de polímeros fue en el laboratorio de James Forrest en la Universidad de Waterloo. Sin embargo, con los recientes avances en la tecnología de elipsometría, ahora podemos utilizarla como un método de alto rendimiento para estudiar sistemas amplios, como las películas delgadas orgánicas y las moléculas recién sintetizadas. Después de este video, debería tener una buena comprensión de cómo hacer una película delgada de polímero y calcular la temperatura de transición vítrea, el coeficiente de expansión y la barrera de activación aparente para el tiempo de relajación cerca de la transición vítrea.