속도 종속 엘립 소메 트리 측정 냉각 얇은 유리 필름의 역학을 확인하는

요약

여기서는 유리 재료의 다양한 속도 유리 전이 온도 (T _g)을 결정할 수 종속 엘립 소메 실험, 평균 동역학, 취약성 및 과냉각 액체의 팽창 계수와 유리를 냉각하기위한 프로토콜을 제시한다.

초록

이보고는 완전 레이트 종속 된 T _g (CR-T의 _g) 실험을 냉각하기위한 엘립 소메 트리를 사용하는 실험 방법을 설명하는 것이다. 이러한 측정은 유리 전이 온도를 결정할 수있는 간단한 높은 처리량 특성화 실험 아르 (T의 _g), 평균 동역학, 취약성 및 유리질 재료의 다양한 과냉각 액체 및 유리 상태의 팽창 계수. 이 기술은 다른 방법이 이러한 모든 특성을 조사하기 위해 서로 다른 다양한 기술을 결합해야하는 동안 이러한 파라미터는, 하나의 실험에서 측정 할 수 있습니다. 역학의 측정은 T의 _G에 가까운 특히 도전이다. 직접 벌크 및 표면 완화 역학 프로브 다른 방법에 비해 속도 의존성의 T _{g 측정} 냉각 장점은 형광 또는 다른 복잡한 예를 이용하지 않은 비교적 빠르고 간단한 실험 때문이다perimental 기술. 또한,이 기술은 유리 전이 (τ _(α)> 100 초)에 관련된 온도와 휴식 시간에 과학 기술 관련 박막 (τ _α) 정권의 평균 역학을 조사합니다. 속도 의존 T _{g의 실험을} 냉각하기위한 엘립 소메 트리를 사용하는 제한 (τ _α << 1 초)의 점도가 측정을 완화 시간이 중요한 조사 할 수 없다는 것이다. 다른 냉각 속도 의존성 T _{g 측정} 기술은, 그러나 빠르게 완화 시간에 CR-T _{g의 방법을} 확장 할 수있다. 또한,이 기술은 매우 긴 필름의 무결성이 실험 전반에 걸쳐 유지되는 임의의 유리 시스템에 사용될 수있다.

서론

Keddie 존스 코리 ¹ 정액 일 초박형 폴리스티렌 필름의 유리 전이 온도 (T _g)을 60 nm의 두께에서보다 낮은 벌크 값에 대해 감소한다는 것을 보여 주었다. 그 이후, 많은 연구 실험 ^2-11의 T _g에서 관찰 된 감소는 이러한 막의 자유 표면 근처에 의해 향상된 이동도의 층에 의해 야기되는 가설을지지하고있다. 그러나,이 실험은 단일 완화 시간의 간접 측정이 있고, 따라서 평균 박막 역학 및 공기 / 폴리머 계면에서 역학 사이에 직접적인 상관 관계를 중심으로 논의 ^{12- 18있다.}

이 논쟁에 대답하기 위해, 많은 연구는 직접 자유 표면 _(τ면)의 역학을 측정했다. 나노 입자 삽입, ^{19, 20} 나노 홀 휴식, ^21, 형광 ²² 연구는 보여 그 공기 / 폴리머 인터페이스 H빠른 τ의 _α보다 훨씬 약한 온도 의존성을 가진 벌크 알파 완화 시간 (τ _α)보다 크기의 차수로서 역학. 때문에 그 약한 온도 의존성,이 영화의 τ의 _표면은 얇은 폴리스티렌 필름의 ^{19 ~ 22} 향상된 역학, ^{23, 24 위} 몇도 단일 포인트 T의 *에서 (τ _α) 대량 알파 휴식을 교차 T는 _g 및 ≈ 1 초 τ _(α)에서. 빠른 * 이상의 휴식 시간을 조사 실험 초박형 폴리스티렌 필름의 T _g로 모든 두께 의존성을보고 실패 이유 T의 *의 존재를 설명 할 수있다. ^{13 ~ 18} 마지막으로, 동안이 가지고있는 향상된 모바일 계층 쇼의 직접 측정 4-8 nm의 두께는, ^{20 ~ 22은} 공기 / 폴리머 계면에서 역학의 전파 길이 모바일 Laye의 표면의 두께보다 훨씬 크다는 것을 증거가R. ^5,25,26

이보고는 완전 레이트 종속 된 T _g (CR-T의 _g) 실험을 냉각하기위한 엘립 소메 트리를 이용하기위한 프로토콜을 기술하는 것이다. CR-T _g는 이전의 폴리스티렌의 초박막의 평균 역학을 설명하는 데 사용되어왔다. ^23,24,27,28 또한,이 기술은 최근에 사용 된 초박형 폴리스티렌 필름의 역학 평균 사이의 직접적인 상관 관계를 보여 자유 표면에서, 및 역학. ^(23)와 같은 형광 나노 입자 매립, 나노 홀 이완 nanocalorimetry 유전체 분광법 및 브릴 루앙 광 산란과 같은 다른 유형의 측정을 통해 CR-T의 _{g 측정의} 장점은, 연구들은 비교적 빠른 점이다 간단한 실험은 형광 또는 다른 복잡한 실험 기술을 사용하지 않는. 분광 엘립 소메 최근 발전은이 기술을 효율적으로 광 PROPERT를 결정하는데 이용 될 수 있도록중합체 및 뛰어난 정밀도 하이브리드 재료의 다른 형태의 초박막의 IES. 이와 같이,이 기술은 유리 전이 (T ≤ T의 _g, τ _α ≥ 100 초)에 관련된 온도 및 시간 정권 기술적 적용 박막의 평균 동역학을 프로빙. 또한,이 기술은 유리의 팽창 계수에 대한 정보를 제공하며 만찬 액체 상태뿐만 아니라 후 벌크 필름 데이터와 비교 될 수있는 시스템의 취약성을 냉각시켰다. 마지막으로, T CR- _{g의 실험은} 너무 긴 필름의 무결성이 실험 전반에 걸쳐 유지되는 임의의 유리 시스템에 사용될 수있다.

프로토콜

1. 영화 준비

1. 폴리스티렌의 0.04 g의 무게를 측정하고, 30 ㎖의 유리 병에 넣습니다.
2. 유리 병에 톨루엔 2g의 무게. 톨루엔 폴리스티렌 용액의 중량에 의해 2 %은 약 100 nm의 피막을 산출한다.
3. 솔루션 앉아 O / N 완전히 폴리스티렌을 용해 및 솔루션 정착 있도록하자.
4. 스핀 코터에 1cm X 1cm의 실리콘 (Si) 웨이퍼를 놓습니다.
5. 45 초 동안 8000 rpm에서 스핀 웨이퍼. 이 구동 중일 때, 회전하는 웨이퍼 상에 톨루엔 약 1ml를 놓는다.
   주 : 스핀 코팅을 포함한 모든 단계 흄 후드에서 수행된다.
6. Si 웨이퍼의 전체 표면이 피복되어 지금까지 고정 Si 웨이퍼 상에, Si 웨이퍼 상에 1.3 적가 단계에서 용액을 추가한다.
7. 용액을 웨이퍼 상에 건조하기 전에 20 초 동안 4000 rpm에서 Si 웨이퍼를 스핀.
8. 엘립 소메 트리를 사용하여 필름의 두께를 결정한다 (단계 2 참조).
9. 필름은 원하는 두께, 앤이면15 시간 동안 393 K에서의 진공 오븐에서 필름 EAL.

2. 도막 두께를 결정

1. 타원의 무대에 스핀 캐스트 필름을 놓고 1 초 획득 시간과 영역 평균 설정으로 70 °의 입사 각도에서 엘 립소 각도 Ψ (λ)와 Δ (λ) 켜져 측정한다.
2. 엘 립소 소프트웨어를 사용하여 제조사의 프로토콜에 따른 3 층 모델 생성 Ψ (λ)과 Δ (λ)의 데이터를 장착한다. 추가 사용자 입력이 없습니다. 제 1 층의 Si 기판 층이고, (N = A는 B / λ ^2, K = 0 +), 이는 대응하는 제 2 층은 1.5 nm 두께의 자연 산화물 층이고, 제 3 층은 코시 모델 폴리스티렌 필름의 광학 특성에 관한 것이다. 이 모델에서, 그리고 B는 적합 파라미터이고, n 및 k는 각각의 굴절률의 실수 및 허수 성분이다.
3. 코시 층, t 맞게hickness 및 파라미터와 B가 10 nm의 막보다 큰 경우. 막은 10 내지 이하인 경우에만 맞.
   주 :이 대표 결과 섹션에서 더 논의 될 것이다.

3. 냉각 속도 종속 _{Tg를 측정}

1. 코트 열 페이스트 가변 온도 립소 단의 발열체의 표면.
2. 가열 요소에 어닐링 폴리스티렌 필름을 놓습니다.
3. 발열체 상에 단단히 필름 클램프.
4. <69 인민군 압력에서 온도 단계를 통해 100 % 건조 질소 가스가 흐르.
5. 온도 스테이지 소프트웨어를 사용하여 온도 분포를 만든다. 이 온도 프로파일은 150 K / 분으로 393 K까지 가열 램프로 시작된다. 20 분 동안 393K에서 영화를 잡습니다.
   1. 그런 다음의 가격을 293 K까지 냉각 대체 램프 150, 120, 90, 60, 30, 10, 7, 150 K / 분으로 393 K까지 가열 램프와 3 및 1 K / 분. 5 분 템피 배치각각의 램프 후 rature 유지.
6. 엘 립소 소프트웨어에서, 기판은 온도 의존 실리콘 모델로 변경하는 것을 제외하고 모든 세 개의 층이, 동일한 제 2 항에서와 온도 의존 엘립 소메 트리 모델은 유사하게.
7. 온도 의존시 모델의 레이어에서 매개 변수 "PARM 로그에서 사용 내선 온도"를 켭니다.
8. 실험 장비 제어 소프트웨어를 사용하여, 엘 립소 소프트웨어 온도 단계에서 온도 값을 읽게한다.
9. 신호가 최대 강도에 도달하도록 타원을 맞 춥니 다.
10. "편집 하드웨어 구성"에서 고정밀 영역 평균 1 초에 빠른 취득 시간을 설정합니다. 고정밀 영역 평균 3 초에 정상 획득 시간을 설정합니다.
11. 타원 소프트웨어에서 "현장에서"탭에서 "빠른 획득 시간 모드"상자를 누릅니다 "시작 취득"을 선택합니다. 그런 다음, 시작온도 프로파일. 3 K / min의 냉각 램프 전에 빠른 획득 시간의 선택을 취소합니다.

4. T _(G)의 값을 결정

1. 선호하는 그래프 및 분석 소프트웨어에 온도와 두께 프로파일을 내 보낸 모든 9 냉각 속도에 대한 온도 및 두께 데이터를 구분합니다.
2. 온도에 취득시 영역 평균화의 효과를 설명마다 온도 값을, 그리고 T는 = / 2, 여기서 T의 _I (T _{난 -1-} T를 +)되도록, 그 앞에 온도 값과 평균 위해서는 온도 주어진 시간 값, 그리고 T는 _I-1은 선행하는 시점의 온도이다.
3. 각각의 냉각 속도에 대한 온도 대 플롯 두께.
4. 슈퍼 냉각 액체 체제 부분에 선형 피팅 (큰 팽창 계수 고온 체제)을 수행한다. 이 정권은 393 K에서 380 K를 약 것입니다
5. PERFO동일한 데이터 세트의 유리 정권의 일부에 선형 피팅 RM. 이 체계는 낮은 열팽창 계수를 가지며, 293 K에서 약 340 K. 것
6. 이들 두 라인의 교차점을 찾을. 이들 라인이 교차하는 온도를 유리 전이 온도이다.
7. 모든 구 램프에 대해이 작업을 수행합니다.

5. 평균 박막 역학 분석

1. 주어진 필름 두께 플롯 로그 (냉각 속도 (K / 분)) 대 1 / T의 _G ^(K-1)의 경우.
2. 경험적인 관계에 의해 벌크 및 표면 역학의 측정을 직접 간접적으로 비교 : 냉각 속도 * τ _α = 1000 ^{(23, 24)}

결과

피팅 원시 일립 소미 트리는 데이터

폴리스티렌 필름은 타원 (500-1,600 ㎚)의 파장 범위에서 투명하다. 따라서 코시 모델 폴리스티렌 필름의 굴절률을 설명하기위한 좋은 모델이다.도 1a는 폴리스티렌의 두께 (274 ㎚) 필름, 그리고 그 결과 얻어지는 착용감 Ψ (λ)과 Δ (λ)의 예를 나타낸다 코시 모델 . 필름 10nm보다 두꺼운는 코시 식의 파라미터 및 B 모두 정확하게 굴절률의 파장 의존성을 모델링하는데 적합해야한다. n은 λ, 파장의 감소 함수 인 경우 코시 모델은 물리적이다.도 1b는 N 그리고 항...

토론

냉각 속도 _의존성의 Tg 측정은 T의 _g, 유리 및 과냉각 액체, 평균 역학의 온도 의존성의 팽창 계수와의 특정 유리질 재료의 취약성을 판별 할 수있는 높은 작업 처리량 특성화 실험 아르 하나의 실험. 그들은 형광 또는 다른 복잡한 실험 기법을 활용하지 않기 때문에 또한, 형광, 매립 또는 나노 홀 완화 실험 달리 CR-T _{g의 실험은} 비교적 빠르고 간단하다. 엘립 소메 의한 감도에,이 방법은 너무 오래 피팅 절차가 올바른지 같이 몇 나노 미터만큼 얇고 수 마이크론 정도로 두꺼운 두께의 필름을 사용할 수있다. 이것은 온도 의존성 및 평균 동역학 및 취약성의 두께 의존성 양자의 빠르고 간단한 분석을 허용한다.

토륨, 이러한 측정을 성공적으로 수행하기 위해서는감수는 각별한주의가주의해야합니다 몇 가지 중요한 단계입니다. 이 타원에 맞는 올바른 것이 필수적입니다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 Si 기판의 광학 특성의 온도 ...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
톨루엔	시그마 알드리치	179418-1L	이것은 모든 화학 회사에서 구입할 수 있습니다.
Atactic 폴리스티렌	폴리머 소스 Inc.	P-4092-S	모든 화학 회사에서 구입할 수 있습니다.
THMS 600 온도 스테이지	Linkam	THMS 600	타원계에 장착할 수 있는 모든 온도 스테이지를 사용할 수 있습니다.
M2000V 분광 타원계	JA Woollam	M200V	이 절차는 모든 분광 타원계에 적용할 수 있어야 합니다.
스핀 코터	Laurell Technologies	WS-650-23B	이 절차는 모든 스핀 코터에서 가능합니다
샘플 바이알	Fisher Scientific	02-912-379	모든 샘플 바이알은
실리콘 웨이퍼	버지니아 반도체를	325S1410694D