קירור מדידות Ellipsometry תלויות דרג לקבוע את הדינמיקה של Thin Films המזוגג
26 בינואר 2016
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לקירור ניסויי שיעור תלויים ellipsometry, אשר יכול לקבוע את טמפרטורת מעבר זכוכית (ז T), דינמיקה ממוצעת, שבריריות ומקדמות התפשטות של הנוזל מקורר הסופר וזכוכית עבור מגוון רחב של חומרים מזוגג.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לספק שיטה פשוטה למדידה מהירה ומדויקת של טמפרטורת מעבר הזכוכית, מקדם ההתפשטות לכאורה והדינמיקה הממוצעת של סרטי זכוכית דקים במיוחד. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום זכוכית פולימרית, כגון כיצד הדינמיקה של סרטים דקים קשורה לאלו של התפזורת. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא יכולה לחשב את טמפרטורת מעבר הזכוכית, מקדמי הפעלה לכאורה ושבריריות של סרטי פולימר דקים במיוחד בניסוי יחיד בעל תפוקה גבוהה.
בעוד שהדוגמה המובאת כאן מתמקדת בעיקר במשקפיים פולימריים, ניתן ליישם שיטה זו באופן רחב יותר כדי לחקור את התכונות של סרטים עבים ודקים של סוגים אחרים של משקפיים, כגון משקפיים מולקולות אורגניות וננו-קומפוזיטים. התחל להכין את הסרט יום לפני שהוא נחוץ למדידות טמפרטורת מעבר זכוכית. הכינו משקל לשקילה מדויקת של חומרים לסרט.
ניסוי זה ישתמש בפוליסטירן וטולואן כדי ליצור את הסרט. התחל במדידת 40 מיליגרם פוליסטירן. הוסף שני גרם טולואן כדי ליצור סרט של כ-100 ננומטר.
לאחר שהתמיסה ישבה למשך הלילה, השתמש בה ליצירת סרט. העבירו את הבקבוקון לציפוי מסתובב שנמצא במכסה אדים. במכסה האדים, הניחו את התמיסה בצד לשימוש מאוחר יותר.
כמו כן, ודא שיש טולואן מוכן לשימוש עם ציפוי הסיבוב. לאחר מכן, קבל פרוסת סיליקון ליצירת הסרט על ידי ציפוי סיבוב. פרוסת הסיליקון לפרוטוקול זה היא סנטימטר על סנטימטר אחד.
מניחים את הוופל בציפוי המסתובב, וסובבים אותו ב-8,000 סל"ד למשך 45 שניות. כשהפרוסה מסתובבת, זרוק עליה כמיליליטר טולואן. עצור את ציפוי הסיבוב לאחר 45 שניות של סחיטה.
השתמש בתמיסת הפוליסטירן והטולואן המוכנה, והתחל להוסיף אותה טיפה למשטח הסיליקון. עצור כאשר כל המשטח מכוסה. לפני שהתמיסה מתייבשת, סובב את הוופל ב-4,000 סל"ד למשך 20 שניות.
עצור את ציפוי הסיבוב והסר את הוופל כדי למדוד את עובי הסרט. קבע את עובי הסרט באמצעות אליפסומטר. התחל בהנחת הסרט על שלב האליפסומטר ואבטחתו.
המשך בבדיקת זווית האירוע, זמן הרכישה והגדרות אחרות. לאחר מכן התחל את הסריקה. לאחר איסוף הנתונים, השתמש בתוכנת האליפסומטר כדי להתאים לזוויות האליפסומטריות.
השתמש במודל תלת שכבתי. השכבה הראשונה היא המצע, במקרה זה, סיליקון. השכבה השנייה, שכבה מספר אחת, היא תחמוצת מקומית.
עובי השכבה הוא 1.5 ננומטר. השכבה השלישית, שכבה מספר שתיים, היא מודל קושי, המתאים לתכונות האופטיות של סרט פוליסטירן. מודל קושי לאינדקס השבירה ניתן על ידי נוסחה זו.
למבדה הוא אורך הגל, ו-A ו-B הם קבועים שיש לקבוע מנתונים. K שווה לאפס עבור חומר שקוף. המודל מחזיר קביעה של עובי הסרט, במקרה זה, כ -105 ננומטר.
הסר את הוופל מהאליפסומטר והמשך לשלב הבא. אם הסרט בעובי הרצוי, קח את הוופל לתנור ואקום. מכניסים את הוופל לתנור ומחסלים אותו למשך 15 שעות בחום של 393 קלווין.
חזור לאליפסומטר עם הסרט המחוסל. הניחו את הסרט בצד בזמן הכנת שלב הדגימה. האליפסומטר צריך להיות מצויד בשלב טמפרטורה משתנה.
השתמש במשחה תרמית כדי לצפות את פני גוף החימום שלו. לאחר מכן, הניחו את סרט הפוליסטירן המחוסל על גוף החימום. ואז מהדקים אותו בחוזקה למקומו.
התחל זרימה של 100% חנקן יבש דרך שלב הטמפרטורה. פנה למחשב ולתוכנת שלב הטמפרטורה כדי ליצור פרופיל טמפרטורה. איור זה מספק מושג על פרופיל הטמפרטורה.
הטמפרטורה היא לאורך הציר האנכי. הזמן הוא לאורך הציר האופקי. הדגימה מחוממת לסירוגין ל-393 קלווין ומקוררת ל-293 קלווין.
דרגת עליית הטמפרטורה היא תמיד קבועה של 150 קלווין לדקה, כפי שמצוין על ידי השיפוע התלול הקבוע כלפי מעלה. הרמפה משתנה עם כל מחזור. זה מתחיל מהר, ואז מאט, כפי שמצוין על ידי המדרונות המשתנים כלפי מטה באיור.
הדגימה מוחזקת במשך 20 דקות לאחר שהיא מגיעה לראשונה ל-393 קלווין. כל זמני החזקת הטמפרטורה המאוחרים יותר, הן ב-393 קלווין והן ב-293 קלווין, הם לחמש דקות. הישארו ליד המחשב כדי להשלים את הגדרת הניסוי.
השתמש בתוכנת האליפסומטר כדי ליצור מודל אליפסומטריה תלוי טמפרטורה. שכבת המצע היא מודל סיליקון תלוי טמפרטורה. שכבה מספר אחת היא שכבת תחמוצת מקורית של 1.5 ננומטר.
שכבה מספר שתיים, השכבה השלישית, היא מודל קושי לסרט פוליסטירן. עבדו עם הגדרות שכבת הסיליקון התלויות בטמפרטורה. הפעל את השתמש ב-Ext Temp מ-Parm Log "כדי לאפשר שימוש בטמפרטורהtagטמפרטורת הטמפרטורה.
כעת נווט כדי להיות מסוגל לערוך את תצורות החומרה. הגדר את זמן הרכישה המהיר לשנייה אחת. כמו כן, בחר ממוצע אזור ברמת דיוק גבוהה.
הגדר את זמן הרכישה הרגיל לשלוש שניות. שוב, השתמש בממוצע האזור ברמת דיוק גבוהה. לחץ על הכרטיסייה In Situ" של תוכנת האליפסומטר.
סמן את התיבה "מצב זמן רכישה מהיר". לחץ על התחל רכישה" כדי להתחיל לאסוף נתונים. עקוב אחר איסוף הנתונים תוך מעקב אחר פרופיל הטמפרטורה.
רגע לפני רמפת הקירור של שלושה קלווין לדקה, בטל את הסימון בתיבת הזמן של הרכישה המהירה. השתמש במדידות של העובי לעומת הטמפרטורה עבור רמפת קירור נתונה כדי לחשב את טמפרטורת מעבר הזכוכית. בעקומת הדגימה הזו, האזור המודגש באדום מתאים לנוזל מקורר העל.
האזור המודגש בכחול תואם את משטר הזכוכית. הנקודה שבה התאמות ליניאריות לאזורים אלה מצטלבות מגדירה את טמפרטורת מעבר הזכוכית. דגימה זו היא סרט פוליסטירן 110 ננומטר של 342 קילוגרם לפוליסטירן שומה.
קצב הקירור הוא 10 קלווין לדקה. מדידות של קלווין אחד לדקה נותנות טמפרטורה של כ-372 קלווין. להלן נתונים של טמפרטורת מעבר הזכוכית לעומת קצב הקירור עבור סרט 110 ננומטר של פוליסטירן.
אותם נתונים משורטטים בעיגולים שחורים באמצעות יומן קצב הקירור בציר האנכי השמאלי. הציר האופקי הוא 1000 מעל טמפרטורת המעבר, כפי שמציע יחס אמפירי. לשם השוואה, הריבועים האדומים הם הדינמיקה הגדולה של פוליסטירן, כפי שנקבעה על ידי ספקטרוסקופיה דיאלקטרית.
לנתונים אלה, עיין בציר הימני של היומן של זמן הרפיית אלפא בתפזורת והציר האופקי, 1000 מעל הטמפרטורה. לאחר שליטה, טכניקה זו תארך חמש שעות אם היא מבוצעת כראוי. בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור להשתמש במודל חומר מתאים, כך שתתאים במדויק את ערכי האליפסומטריה לעובי ולמדד השבירה של הסרט.
ניסיתי לראשונה את השיטה הזו לחקר סרטים דקים של פולימרים במעבדתו של ג'יימס פורסט באוניברסיטת ווטרלו. עם זאת, עם ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית האליפסומטריה, אנו יכולים כעת להשתמש בשיטה זו כשיטה בעלת תפוקה גבוהה לחקר מערכות רחבות, כגון שכבות דקות אורגניות ומולקולות שסונתזו לאחרונה. לאחר סרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד ליצור סרט דק פולימרי ולחשב את טמפרטורת מעבר הזכוכית, מקדם ההתפשטות ומחסום ההפעלה לכאורה לזמן ההרפיה ליד מעבר הזכוכית.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מפרט שיטה לביצוע ניסויי אליפסומטריה התלויים בשיעור הקירור, לצורך קביעת תכונות מפתח של חומרים זכוכיתיים. הוא מתמקד במדידת טמפרטורת מעבר הזכוכית, הדינמיקה הממוצעת והשביריות של שכבות זכוכית דקות במיוחד.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדע הפולימרים
- מדע החומרים
- תופעות מעבר זגוגיות
רקע
- הבנת הדינמיקה של שכבות דקות היא קריטית במחקר של זכוכית פולימרית.
- ניתן להחיל שיטה זו על חומרים זכוכיתיים שונים, כולל זכוכיות של מולקולות אורגניות וננו-קומפוזיטים.
- מדידה מדויקת של טמפרטורת מעבר הזכוכית חיונית לאפיון של חומרים זכוכיתיים.
- הטכניקה מאפשרת ביצוע ניסויים בתפוקה גבוהה.
מטרת המחקר
- אספקת שיטה פשוטה ויעילה למדידת תכונות מעבר זגוגית.
- בחינת הקשר בין דינמיקה של שכבות דקות לתכונות של חומר בנפח (bulk).
- סיוע בחקר חומרים זגוגיים מגוונים מעבר לפולימרים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- ניסויי אליפסומטריה התלויים בקצב הקירור.
- הכנה של סרבלים זכוכיתיים דקים במיוחד.
- מדידה של טמפרטורת מעבר הזכוכית והשביריות.
- תכנון ניסיוני בעדש גבוה (High-throughput).
תוצאות עיקריות
- השיטה מודדת באופן מדויק את טמפרטורת מעבר הזכוכית ואת הדינמיקה של שכבות דקיקות.
- היא מספקת תובנות לגבי השבירות של זכוכיות פולימר.
- הטכניקה ניתנת להתאמה לסוגים שונים של חומרים זכוכיתיים.
- התוצאות יכולות להנחות מחקרים עתידיים על תכונות של שכבות דקות.
מסקנות
- פרוטוקול זה מציע גישה מהימנה לחקר תופעות של מעבר זכוכיתי.
- הוא משפר את ההבנה של התנהגות שכבות דקות ביחס לחומרים במצב גושי.
- ורסטיליות השיטה הופכת אותה לבעלת ערך עבור מגוון רחב של חומרים זכוכיתיים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
טכניקה זו מאפשרת אפיון מהיר ובספיקות גבוהה של טמפרטורת מעבר הזכוכית, דינמיקה ממוצעת ושבירות בסרטים זכוכיתיים דקים במיוחד, ומספקת נתונים קריטיים לבחירת חומרים בשלבים מוקדמים של פיתוח פורמולציות פרמצבטיות. באמצעות מדידה של מספר תכונות תרמו-פיזיקליות בניסוי אחד, היא מפחיתה את העומס הניסיוני ומאיצה מידול חזוי של התנהגות מוצקים אמורפיים הרלוונטית ליציבות התרופה ולזמינות הביולוגית שלה. השיטה תומכת בהסרת סיכונים מכניסטית של פורמולציות תרופות אמורפיות על ידי קישור הדינמיקה של סרטים דקים להתנהגות רלקסציה של חומר בנפח (bulk) תחת לוחות זמנים רלוונטיים לתעשייה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של ניידות מולקולרית במערכות אמורפיות לצורך הערכת יציבות תרמודינמית וחיזוי סיכון להתגבשות במהלך האחסון.
- ערך תפעולי: מספק נתונים כמותיים על שבירות (fragility) ומקדם התפשטות כדי להדריך את בחירת החומרים המסייעים (excipients) ותכנון המטריצה הפולימרית עבור דספרסיות מוצקות אמורפיות.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר תוצאות אליפסומטריה הניתנות לשחזור ומנורמלות לעובי, המשמשות כמדדי פרוקסי לדחיסות מולקולרית ואינטראקציות בין-מולקולריות במודלים של שכבות דקות.
- ערך תפעולי: תומך בסריקה בthroughput גבוה של מועמדים לפורמולציה על ידי אספקת נתונים על טמפרטורת מעבר זגוגיות ודינמיקה לאורך קצבי קירור בריצה אחת.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מקשר בין דינמיקה של שכבות דקות לזמני רלקסציית אלפא של החומר במצבם הפרומי (bulk), ובכך מאפשר אקסטrapולציה של ממצאים מקנה מידה מעבדתי לתנאי אחסון בעולם האמיתי.
- ערך תפעולי: מסייע בסנכרון רב-תחומי בין מדעני פורמולציה לכימיקאים פיזיקליים באמצעות מדדים סטנדרטיים, הנגישים למכשירים, של יציבות המצב האמורפי.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
שיטה זו משתלבת ברצף שבין שלבי הגילוי המוקדמים לשלב הפרה-קליני על ידי אספקת פרופיל פיזיקו-כימי מהיר של חומרים אמורפיים, ובכך מסייעת בקבלת החלטות לגבי המשך התקדמות (go/no-go) לפני השקעה משמעותית בסינתזה או בהגדלת קנה המידה (scale-up).
- ביולוגיה של התגליות: תומכת בבדיקת השערות הנוגעות להשפעת מודיפיקציות מולקולריות על היכולת ליצור זכוכית ועל היציבות הקינטית של APIs אמורפיים.
- סריקה: מספקת פלטים כמותיים המוכנים לבדיקה (Tg, מקדם התפשטות, שבירות) המאפשרים דירוג של מועמדים לפורמולציה על בסיס יציבות פיזיקלית חזויה.
- אנליזה: מספקת נתוני אליפסומטריה תלויי טמפרטורה וגרפים של Tg תלויי קצב קירור, המאפשרים חישוב של מחסומי האקטיבציה הגלויים ומדדי שבירות.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין מדידות של שכבה דקה לנתוני ספקטרוסקופיה דיאלקטרית של חומר בנפח (bulk), מה שמאפשר תרגום של דינמיקה בקנה מידה מעבדתי למודלים חזויים של אחסון.
- שימוש חוזר ארגוני: מהווה פלטפורמה אנליטית הניתנת לשימוש חוזר להערכת מערכות אמורפיות במספר פרויקטים, ובכך מפחיתה פיתוח שיטות כפול.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחיתה עמימות מכניסטית בהתנהגות של מוצקים אמורפיים על ידי קישור דינמיקת שכבות דקות לתהליכי רלקסציה של החומר בנפח (bulk).
- ערך תפעולי: מאפשרת סטנדרטיזציה של מדידות מעבר זכוכית בין מעבדות באמצעות פרוטוקולים מוגדרים של העלאת טמפרטורה ונהלי מידול אליפסומטריה.
- ערך אסטרטגי: משפרת את הביטחון בקבלת החלטות מסוג go/no-go על ידי אספקת אינדיקטורים מנבאים ומוקדמים ליציבות הפאזה האמורפית תחת היסטוריות תרמיות רלוונטיות.
- השפעה על הפורטפוליו: תומכת בקידום מותאם סיכונים באמצעות זיהוי פורמולציות עם פרופילי שבירות והתרחבות נוחים, העמידות מפני התגבשות במהלך העיבוד והאחסון.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בניתוח נתוני אליפסומטריה ובמידול אופטי רב-שכבתי לצורך חילוץ מדויק של העובי ומקדם השבירה.
- תלוי בגישה לאליפסומטר בעל טמפרטורה משתנה עם בקרת טמפרטורה מדויקת ויכולת שטיפה בחנקן.
- מחייב הסכמה בין הצוותים על פרוטוקולי הכנת סרטים כדי להבטיח הדירות בין חומרים זכוכיתיים שונים (למשל, פולימרים, מולקולות אורגניות, נאנו-קומפוזיטים).
- כולל שיקולי התאמה בעת יישום השיטה על מערכות אמורפיות היגרוסקופיות או תגובתיות מבחינה כימית, שעלולות להתפרק במהלך מחזורי חימום.
- מוגבל לבדיקת זמני רלקסציה >100 שניות, מה שהופך אותו לבלתי מתאים לחיזוי צמיגות ישיר, אך אידיאלי לאפיון מעבר זכוכית ורלקסציית אלפא.
שאלות נפוצות בביופארמה
Chapters in this video
0:05
Title
0:56
Film Preparation and Film Thickness Determination
4:06
Cooling Rate Dependent Glass Transition Temperature Measurements
6:59
Results: Finding the Glass Transition Temperature and Analyzing the Average Film Dynamics of 110 nm Polystyrene
8:28
Conclusion
