La vitesse de refroidissement à charge Dimensions Ellipsométrie à déterminer la dynamique de Thin Films vitreux

L’objectif global de cette procédure est de fournir une méthode simple pour mesurer rapidement et avec précision la température de transition vitreuse, le coefficient de dilatation apparent et la dynamique moyenne des films vitreux ultra-minces. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine du verre polymère, telles que la relation entre la dynamique des couches minces et celle de la masse. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet de calculer la température de transition vitreuse, les coefficients d’activation apparents et les fragilités des films ultra-minces de polymère en une seule expérience à haut débit.

Bien que l’exemple fourni ici soit principalement axé sur les verres polymères, cette méthode peut être appliquée plus largement pour étudier les propriétés des films épais et minces d’autres types de verres, tels que les verres à molécules organiques et les nanocomposites. Commencez à préparer le film un jour avant qu’il ne soit nécessaire pour les mesures de température de transition vitreuse. Ayez une balance prête à peser avec précision les matériaux pour le film.

Cette expérience utilisera du polystyrène et du toluène pour créer le film. Commencez par mesurer 40 milligrammes de polystyrène. Ajoutez deux grammes de toluène pour produire un film d’environ 100 nanomètres.

Une fois que la solution est restée toute la nuit, utilisez-la pour créer un film. Placez le flacon dans une machine à essorer placée dans une hotte. Au niveau de la hotte, mettez la solution de côté pour une utilisation ultérieure.

Assurez-vous également qu’il y a du toluène prêt à l’emploi avec l’essoreuse. Ensuite, procurez-vous une plaquette de silicium pour créer le film par revêtement par rotation. La plaquette de silicium pour ce protocole mesure un centimètre sur un centimètre.

Placez la plaquette dans la machine à essorer et faites-la tourner à 8 000 tr/min pendant 45 secondes. Pendant que la plaquette tourne, déposez environ un millilitre de toluène dessus. Arrêtez l’essoreuse après 45 secondes d’essorage.

Utilisez la solution de polystyrène et de toluène préparée et commencez à l’ajouter goutte à goutte à la surface du silicium. Arrêtez-vous lorsque toute la surface est couverte. Avant que la solution ne sèche, essorez la plaquette à 4 000 tr/min pendant 20 secondes.

Arrêtez la machine à revêtir et retirez la plaquette pour mesurer l’épaisseur du film. Déterminez l’épaisseur du film à l’aide d’un ellipsomètre. Commencez par placer le film sur la platine de l’ellipsomètre et fixez-le.

Poursuivez en vérifiant l’angle d’incidence, le temps d’acquisition et d’autres paramètres. Lancez ensuite l’analyse. Après avoir collecté des données, utilisez le logiciel de l’ellipsomètre pour ajuster les angles ellipsométriques.

Utilisez un modèle à trois couches. La première couche est le substrat, dans ce cas, le silicium. La deuxième couche, la couche numéro un, est un oxyde natif.

La couche a une épaisseur de 1,5 nanomètre. La troisième couche, la couche numéro deux, est un modèle Cauchy, correspondant aux propriétés optiques du film de polystyrène. Le modèle de Cauchy pour l’indice de réfraction est donné par cette formule.

Lambda est la longueur d’onde, et A et B sont des constantes à déterminer à partir des données. K est égal à zéro pour un matériau transparent. Le modèle renvoie une détermination de l’épaisseur du film, dans ce cas, environ 105 nanomètres.

Retirez la plaquette de l’ellipsomètre et passez à l’étape suivante. Si le film a l’épaisseur souhaitée, apportez la plaquette dans un four sous vide. Placez la gaufrette dans le four et recuite-la pendant 15 heures à 393 Kelvin.

Retournez à l’ellipsomètre avec le film recuit. Mettez le film de côté pendant la préparation de l’étape d’échantillonnage. L’ellipsomètre doit être équipé d’un étage de température variable.

Utilisez une pâte thermique pour enduire la surface de son élément chauffant. Ensuite, placez le film de polystyrène recuit sur l’élément chauffant. Ensuite, serrez-le fermement en place.

Démarrez un flux d’azote sec à 100 % à travers l’étape de température. Tournez-vous vers l’ordinateur et le logiciel de l’étape de température pour créer un profil de température. Cette figure donne une idée du profil de température.

La température est le long de l’axe vertical. Le temps est le long de l’axe horizontal. L’échantillon est alternativement chauffé à 393 Kelvin et refroidi à 293 Kelvin.

La montée en température est toujours de 150 Kelvin par minute, comme l’indique la pente ascendante abrupte constante. La réduction progressive varie à chaque cycle. Il commence vite, puis ralentit, comme l’indiquent les pentes descendantes changeantes de la figure.

L’échantillon est conservé pendant 20 minutes après avoir atteint 393 Kelvin. Tous les temps de maintien de la température ultérieurs, à la fois à 393 Kelvin et 293 Kelvin, sont de cinq minutes. Restez devant l’ordinateur pour terminer la configuration de l’expérience.

Utilisez le logiciel d’ellipsométrie pour créer un modèle d’ellipsométrie dépendant de la température. La couche de substrat est un modèle en silicium dépendant de la température. La couche numéro un est une couche d’oxyde natif de 1,5 nanomètre.

La couche numéro deux, la troisième couche, est le modèle Cauchy pour le film de polystyrène. Travaillez avec les paramètres de la couche de silicium dépendants de la température. Activez l’option Utiliser Ext Temp à partir de Parm Log" pour permettre l’utilisation de la température de l’étape de température.

Naviguez maintenant pour pouvoir modifier les configurations matérielles. Réglez le temps d’acquisition rapide sur une seconde. Sélectionnez également le calcul de la moyenne de zone de haute précision.

Réglez le temps d’acquisition normal sur trois secondes. Encore une fois, utilisez la moyenne de zone de haute précision. Cliquez sur l’onglet « In Situ » du logiciel de l’ellipsomètre.

Cochez la case « Mode de temps d’acquisition rapide ». Appuyez sur Démarrer l’acquisition" pour commencer à collecter des données. Surveillez la collecte de données pendant que le profil de température est respecté.

Juste avant la rampe de refroidissement de trois Kelvin par minute, décochez la case « Acquisition rapide ». Utilisez les mesures de l’épaisseur en fonction de la température pour une rampe de refroidissement donnée pour calculer la température de transition vitreuse. Dans cet exemple de courbe, la région surlignée en rouge correspond au liquide surfondu.

La région soulignée en bleu correspond au régime vitreux. Le point d’intersection des ajustements linéaires à ces régions définit la température de transition vitreuse. Cet échantillon est un film de polystyrène de 110 nanomètres de 342 kilogrammes par mole de polystyrène.

La vitesse de refroidissement est de 10 Kelvin par minute. Les mesures à un Kelvin par minute donnent une température d’environ 372 Kelvin. Voici les données de la température de transition vitreuse en fonction de la vitesse de refroidissement pour un film de polystyrène de 110 nanomètres.

Ces mêmes données sont tracées avec des cercles noirs à l’aide du logarithme de la vitesse de refroidissement sur l’axe vertical de gauche. L’axe horizontal est de 1000 sur la température de transition, comme le suggère une relation empirique. À titre de comparaison, les carrés rouges représentent la dynamique globale du polystyrène, déterminée par spectroscopie diélectrique.

Pour ces données, reportez-vous à l’axe de droite du logarithme du temps de relaxation alpha en vrac et à l’axe horizontal, 1000 sur la température. Une fois maîtrisée, cette technique prendra cinq heures si elle est exécutée correctement. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de ne pas oublier d’utiliser un modèle de matériau approprié, afin d’ajuster avec précision les valeurs ellipsométriques pour l’épaisseur et l’indice de réfraction du film.

J’ai d’abord essayé cette méthode d’étude des couches minces de polymères dans le laboratoire de James Forrest à l’Université de Waterloo. Cependant, grâce aux progrès récents de la technologie de l’ellipsométrie, nous sommes maintenant en mesure de l’utiliser comme méthode à haut débit pour étudier de vastes systèmes, tels que les couches minces organiques et les molécules nouvellement synthétisées. Après cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la fabrication d’un film mince de polymère et calculer la température de transition vitreuse, le coefficient de dilatation et la barrière d’activation apparente du temps de relaxation près de la transition vitreuse.