Raffreddamento Vota dipendenti Misure ellissometria per determinare la dinamica dei Thin Films Glassy

L'obiettivo generale di questa procedura è fornire un metodo semplice per misurare in modo rapido e accurato la temperatura di transizione vetrosa, il coefficiente di espansione apparente e la dinamica media dei film vetrosi ultrasottili. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave in un campo di vetro polimerico, come ad esempio il modo in cui la dinamica dei film sottili si relaziona con quella della massa. Il vantaggio principale di questa tecnica è che può calcolare la temperatura di transizione vetrosa, i coefficienti di attivazione apparenti e le fragilità dei film ultrasottili di polimeri in un singolo esperimento ad alto rendimento.

Sebbene l'esempio fornito qui sia per lo più incentrato sui vetri polimerici, questo metodo può essere applicato in modo più ampio per studiare le proprietà dei film spessi e sottili di altri tipi di vetri, come i vetri a molecole organiche e i nanocompositi. Iniziare a preparare la pellicola un giorno prima che sia necessaria per le misurazioni della temperatura di transizione vetrosa. Tieni pronta una bilancia per pesare con precisione i materiali per il film.

Questo esperimento utilizzerà polistirene e toluene per creare il film. Inizia misurando 40 milligrammi di polistirolo. Aggiungere due grammi di toluene per produrre un film di circa 100 nanometri.

Dopo che la soluzione è rimasta per una notte, usala per creare un film. Spostare la fiala su una centrifuga che si trova in una cappa aspirante. Sulla cappa aspirante, mettere da parte la soluzione per un uso successivo.

Inoltre, assicurarsi che ci sia toluene pronto per l'uso con la centrifuga. Quindi, prendi un wafer di silicone su cui creare il film mediante rivestimento di rotazione. Il wafer di silicio per questo protocollo è di un centimetro per un centimetro.

Posizionare il wafer nella centrifuga e centrifugarlo a 8.000 giri/min per 45 secondi. Mentre il wafer gira, versa circa un millilitro di toluene su di esso. Arrestare la centrifuga dopo 45 secondi di centrifuga.

Utilizzare la soluzione preparata di polistirene e toluene e iniziare ad aggiungerla goccia a goccia sulla superficie del silicone. Fermarsi quando l'intera superficie è coperta. Prima che la soluzione si asciughi, far girare il wafer a 4.000 giri/min per 20 secondi.

Arrestare la centrifuga e rimuovere il wafer per misurare lo spessore del film. Determinare lo spessore del film utilizzando un ellissometro. Inizia posizionando la pellicola sul tavolino dell'ellissometro e fissandola.

Continuare controllando l'angolo di incidenza, il tempo di acquisizione e altre impostazioni. Quindi inizia la scansione. Dopo aver raccolto i dati, utilizzare il software dell'ellissometro per adattare gli angoli ellissometrici.

Utilizzare un modello a tre strati. Il primo strato è il substrato, in questo caso il silicio. Il secondo strato, lo strato numero uno, è un ossido nativo.

Lo strato ha uno spessore di 1,5 nanometri. Il terzo strato, lo strato numero due, è un modello di Cauchy, corrispondente alle proprietà ottiche del film di polistirene. Il modello di Cauchy per l'indice di rifrazione è dato da questa formula.

Lambda è la lunghezza d'onda e A e B sono costanti da determinare dai dati. K è uguale a zero per un materiale trasparente. Il modello restituisce una determinazione dello spessore del film, in questo caso, circa 105 nanometri.

Rimuovere il wafer dall'ellissometro e procedere al passaggio successivo. Se la pellicola è dello spessore desiderato, portare il wafer in un forno a vuoto. Mettere la cialda in forno e cuocerla per 15 ore a 393 Kelvin.

Torna all'ellissometro con la pellicola ricotto. Mettere da parte la pellicola mentre si prepara la fase di campionamento. L'ellissometro deve essere dotato di uno stadio di temperatura variabile.

Utilizzare una pasta termica per rivestire la superficie del suo elemento riscaldante. Quindi, posizionare la pellicola di polistirene ricotto sull'elemento riscaldante. Quindi fissarlo saldamente in posizione.

Avviare un flusso di azoto secco al 100% attraverso la fase di temperatura. Rivolgersi al computer e al software della fase di temperatura per creare un profilo di temperatura. Questa cifra fornisce un'idea del profilo di temperatura.

La temperatura è lungo l'asse verticale. Il tempo è lungo l'asse orizzontale. Il campione viene riscaldato alternativamente a 393 Kelvin e raffreddato a 293 Kelvin.

Il grado di rampa di temperatura è sempre di 150 Kelvin costanti al minuto, come indicato dalla pendenza ripida costante verso l'alto. La rampa di discesa varia ad ogni ciclo. Inizia velocemente, poi rallenta, come indicato dalle pendenze verso il basso variabili nella figura.

Il campione viene trattenuto per 20 minuti dopo aver raggiunto per la prima volta i 393 Kelvin. Tutti i tempi successivi di mantenimento della temperatura, sia a 393 Kelvin che a 293 Kelvin, sono di cinque minuti. Rimani al computer per completare la configurazione dell'esperimento.

Utilizzare il software dell'ellissometro per creare un modello ellissometrico dipendente dalla temperatura. Lo strato di substrato è un modello di silicio dipendente dalla temperatura. Lo strato numero uno è uno strato di ossido nativo di 1,5 nanometri.

Lo strato numero due, il terzo strato, è il modello di Cauchy per film di polistirene. Lavorare con le impostazioni dello strato di silicio dipendenti dalla temperatura. Attivare l'opzione Usa temperatura esterna da Parm Log" per consentire l'uso della temperatura stage temperatura.

Ora naviga per poter modificare le configurazioni hardware. Impostare il tempo di acquisizione veloce su un secondo. Inoltre, selezionare la media delle zone ad alta precisione.

Impostare il tempo di acquisizione normale su tre secondi. Ancora una volta, utilizzare la media delle zone ad alta precisione. Fare clic sulla scheda "In situ" del software dell'ellissometro.

Seleziona la casella "Modalità tempo di acquisizione veloce". Premere Avvia acquisizione"per iniziare a raccogliere i dati. Monitorare la raccolta dei dati man mano che viene seguito il profilo di temperatura.

Appena prima della rampa di raffreddamento di tre Kelvin al minuto, deseleziona la casella del tempo di acquisizione rapida. Utilizzare le misure dello spessore rispetto alla temperatura per una data rampa di raffreddamento per calcolare la temperatura di transizione vetrosa. In questa curva di campionamento, la regione evidenziata in rosso corrisponde al liquido superraffreddato.

La regione evidenziata in blu corrisponde al regime vetroso. Il punto in cui gli adattamenti lineari a queste regioni si intersecano definisce la temperatura di transizione vetrosa. Questo campione è un film di polistirene da 110 nanometri di polistirene da 342 chilogrammi per mole.

La velocità di raffreddamento è di 10 Kelvin al minuto. Le misurazioni a un Kelvin al minuto danno una temperatura di circa 372 Kelvin. Ecco i dati della temperatura di transizione vetrosa rispetto alla velocità di raffreddamento per un film di polistirene a 110 nanometri.

Questi stessi dati vengono tracciati con cerchi neri utilizzando il log della velocità di raffreddamento sull'asse verticale sinistro. L'asse orizzontale è 1000 sopra la temperatura di transizione, come suggerito da una relazione empirica. Per confronto, i quadrati rossi sono la dinamica di massa del polistirene, come determinato dalla spettroscopia dielettrica.

Per questi dati, fare riferimento all'asse destro del log del tempo di rilassamento alfa di massa e all'asse orizzontale, 1000 sopra la temperatura. Una volta padroneggiata, questa tecnica richiederà cinque ore se eseguita correttamente. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordarsi di utilizzare un modello di materiale appropriato, in modo da adattare accuratamente i valori di ellissometria per lo spessore e l'indice di rifrazione del film.

Ho provato per la prima volta questo metodo di studio dei film sottili dei polimeri nel laboratorio di James Forrest all'Università di Waterloo. Tuttavia, con i recenti progressi nella tecnologia dell'ellissometria, siamo ora in grado di utilizzarla come metodo ad alto rendimento per studiare sistemi ampi, come film sottili organici e molecole di nuova sintesi. Dopo questo video, dovresti avere una buona comprensione di come realizzare un film sottile di polimero e calcolare la temperatura di transizione vetrosa, il coefficiente di dilatazione e la barriera di attivazione apparente al tempo di rilassamento vicino alla transizione vetrosa.