Name: Pomiary elipsometrii zależne od szybkości chłodzenia w celu określenia dynamiki cienkich szklistych warstw (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-01-26T18:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 32 s
Description: Poznaj metodę elipsometrii zależnej od szybkości chłodzenia do pomiaru temperatury przejścia szklistego i dynamiki ultracienkich filmów szklistych. Technika umożliwia wysokoprzepustowe badania właściwości materiałów polimerowych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy pragną podziękować Jamesowi A. Forrestowi za pomoc w początkowym pomyśle na tę technikę. 26 Praca ta była wspierana przez fundusze z University of Pennsylvania i była częściowo wspierana przez program MRSEC Narodowej Fundacji Nauki w ramach nagrody nr. DMR-11-20901 na Uniwersytecie Pensylwanii.

1. Przygotowanie filmu
<ol>
	<li>Odważyć 0,04 g polistyrenu i umieścić w fiolce o pojemności 30 ml.</li>
	<li>Odważyć 2 g toluenu do fiolki. Z 2% wagowego roztworu polistyrenu w toluenie uzyskuje się film o długości około 100 nm.</li>
	<li>Pozostaw roztwór na O/N, aby całkowicie rozpuścić polistyren i pozwól roztworom osiąść.</li>
	<li>Umieść wafel krzemowy (Si) o wymiarach 1 cm x 1 cm na powlekarce wirowej.</li>
	<li>Wiruj wafel z prędkością 8,000 obr./min przez 45 sekund. Podczas wirowania upuść około 1 ml toluenu na wirującą płytkę. 
	Uwaga: Wszystkie etapy związane z powlekaniem wirowym są wykonywane w dygestorium.</li>
	<li>Na teraz nieruchomej płytce Si dodaj roztwór z kroku 1.3 kroplami na płytkę Si, aż cała powierzchnia płytki Si zostanie pokryta.</li>
	<li>Zanim roztwór wyschnie na płytce, należy obracać wafel Si z prędkością 4 000 obr./min przez 20 sekund.</li>
	<li>Określ grubość folii za pomocą elipsometrii (patrz krok 2).</li>
	<li>Jeśli folia ma pożądaną grubość, wyżarzaj ją w piecu próżniowym w temperaturze 393 K przez 15 godzin.</li>
</ol>
2. Określanie grubości folii
<ol>
	<li>Umieść odwijaną folię na stoliku elipsometru i zmierz kąty elipsometryczne Ψ(λ) i Δ(λ) przy kącie padania światła 70° z czasem akwizycji 1 sekundy i włączonym ustawieniem uśredniania stref</li>.
	<li>Za pomocą oprogramowania elipsometru dopasuj wynikowe dane Ψ (λ) i Δ (λ) do modelu trójwarstwowego zgodnie z protokołem producenta. Nie ma żadnych dodatkowych danych wejściowych użytkownika. Pierwsza warstwa to warstwa substratowa Si, druga warstwa to natywna warstwa tlenku o grubości 1,5 nm, a trzecia warstwa to model Cauchy'ego (n=A+B/λ2 , k=0), który odpowiada właściwościom optycznym folii polistyrenowej. W tym modelu A i B są parametrami dopasowania, a n i k są odpowiednio rzeczywistymi i urojonymi składnikami współczynnika załamania.</li>
	<li>W przypadku warstwy Cauchy'ego należy dopasować grubość oraz parametry A i B, jeśli folia ma długość fali powyżej 10 nm. Jeśli folia jest poniżej 10 nm, pasuje tylko do A. 
	Uwaga: Zostanie to omówione w dalszej części sekcji Reprezentatywne wyniki.</li>
</ol>
3. Pomiary Tg zależne od szybkości chłodzenia
<ol>
	<li>Pokryj powierzchnię elementu grzejnego stopnia elipsometru o zmiennej temperaturze pastą termiczną.</li>
	<li>Umieść wyżarzoną folię polistyrenową na elemencie grzejnym.</li>
	<li>Zacisnąć folię mocno na elemencie grzejnym.</li>
	<li>Przepuść 100% suchego azotu gazowego przez etap temperaturowy pod ciśnieniem <69 KPa.</li>
	<li>Korzystając z oprogramowania stage temperatury, utwórz profil temperatury. Ten profil temperaturowy rozpoczyna się od rampy grzewczej do 393 K przy 150 K/min. Przytrzymaj film w temperaturze 393K przez 20 minut.
	<ol>
		<li>Następnie naprzemiennie zmieniaj rampy chłodzenia do 293 K z szybkością 150, 120, 90, 60, 30, 10, 7, 3 i 1 K/min z rampami grzewczymi do 393 K przy 150 K/min. Po każdej rampie utrzymuj temperaturę na 5 minut.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>W oprogramowaniu elipsometru wykonaj model elipsometrii zależny od temperatury, podobny do tego w sekcji 2. Wszystkie trzy warstwy są takie same, z wyjątkiem tego, że podłoże jest zmieniane na model Si zależny od temperatury.</li>
	<li>W warstwie dla modelu Si zależnego od temperatury włącz parametr "Użyj temperatury zewnętrznej z dziennika Parm".</li>
	<li>Korzystając z oprogramowania sterującego sprzętem laboratoryjnym, poproś oprogramowanie elipsometru o odczyt wartości temperatury ze stopnia temperatury.</li>
	<li>Ustaw elipsometr tak, aby sygnał osiągnął maksymalne natężenie.</li>
	<li>W sekcji "Edytuj konfiguracje sprzętowe" ustaw szybki czas akwizycji na 1 sekundę z uśrednianiem stref o wysokiej dokładności. Ustaw normalny czas akwizycji na 3 sekundy z uśrednianiem stref o wysokiej dokładności.</li>
	<li>W zakładce "in situ" w oprogramowaniu elipsometru zaznacz pole "tryb szybkiego czasu akwizycji" i naciśnij "Rozpocznij akwizycję". Następnie uruchom profil temperatury. Przed rampą chłodzenia 3 K/min odznacz pole szybkiego czasu akwizycji.</li>
</ol>
4. Określanie wartości Tg
<ol>
	<li>Eksportuj profile temperatury i grubości do preferowanego oprogramowania do tworzenia wykresów i analizy, a następnie oddziel dane dotyczące temperatury i grubości dla wszystkich 9 szybkości chłodzenia.</li>
	<li>Aby uwzględnić wpływ uśredniania stref podczas akwizycji na temperaturę, weź każdą wartość temperatury i uśrednij ją z poprzedzającą ją wartością temperatury, tak że T=(Ti + Ti-1)/2, gdzie Ti jest wartością temperatury w danym czasie, a Ti-1 jest temperaturą poprzedniego punktu czasowego.</li>
	<li>Grubość wykresu w funkcji temperatury dla każdej szybkości chłodzenia.</li>
	<li>Wykonać pasowanie liniowe na części reżimu super chłodzonej cieczy (reżim wysokiej temperatury o większym współczynniku rozszerzalności). Reżim ten wyniesie w przybliżeniu od 393 K do 380 K.</li>
	<li>Wykonaj dopasowanie liniowe na części szklistego reżimu tego samego zestawu danych. Ten reżim ma niższy współczynnik rozszerzalności i będzie wynosił w przybliżeniu od 293 K do 340 K.</li>
	<li>Znajdź punkt przecięcia tych dwóch linii. Temperatura, w której przecinają się te linie, to temperatura zeszklenia.</li>
	<li>Zrób to dla wszystkich dziewięciu ramp.</li>
</ol>
5. Analiza średniej dynamiki cienkich warstw
<ol>
	<li>Dla danej grubości warstwy wykreśl Log (szybkość chłodzenia (K/min)) w porównaniu z 1/Tg (K-1).</li>
	<li>Porównaj to pośrednio z bezpośrednimi pomiarami dynamiki objętościowej i powierzchniowej za pomocą empirycznej zależności: Szybkość chłodzenia * τα = 1000. Pytania z dnia 23,24</li> na drugi guzik
</ol>

<ol><li>Keddie, J. L., Jones, R. A. L., Cory, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Size-Dependent+depression+of+the+glass+transition+temperature+in+polymer+films%5BTitle%5D)+AND+%22Europhys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Size-Dependent depression of the glass transition temperature in polymer films.</a> Europhys. Lett. 27 (1), 59-64 (1994).</li>
<li>Forrest, J. A., Veress, K. D., Dutcher, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interface+and+chain+confinement+effects+on+the+glass+transition+temperature+of+thin+polymer+films%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.E%22%5BJournal%5D)">Interface and chain confinement effects on the glass transition temperature of thin polymer films.</a> Phys. Rev.E. 56 (5), 5705-5716 (1997).</li>
<li>Forrest, J. A., Mattsson, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reductions+of+the+glass+transition+temperature+in+thin+polymer+films%3A+Probing+the+length+scale+of+cooperative+dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.E%22%5BJournal%5D)">Reductions of the glass transition temperature in thin polymer films: Probing the length scale of cooperative dynamics.</a> Phys. Rev.E. 61 (1), R53-R56 (2000).</li>
<li>Sharp, J. S., Forrest, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Free+surfaces+cause+reductions+in+the+glass+transition+temperature+of+thin+polystyrene+films%5BTitle%5D)+AND+%22PRL%22%5BJournal%5D)">Free surfaces cause reductions in the glass transition temperature of thin polystyrene films.</a> PRL. 91 (23), 235701(2003).</li>
<li>Ellison, C. J., Torkelson, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+distribution+of+glass-transition+temperatures+in+nanoscopically+confined+glass+formers%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mat%22%5BJournal%5D)">The distribution of glass-transition temperatures in nanoscopically confined glass formers.</a> Nat. Mat. 2 (10), 695-700 (2003).</li>
<li>Priestley, R. D., Ellison, C. J., Broadbelt, L. J., Torkelson, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+relaxation+of+polymer+glasses+at+surfaces%2C+interfaces%2C+and+in+between%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Structural relaxation of polymer glasses at surfaces, interfaces, and in between.</a> Science. 309 (5733), 456-459 (2005).</li>
<li>Ellison, C. J., Kim, S. D., Hall, D. B., Torkelson, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Confinement+and+processing+effects+on+glass+transition+temperature+and+physical+aging+in+ultrathin+polymer+films%3A+Novel+fluorescence+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Euro.+Phys.+J.+E%22%5BJournal%5D)">Confinement and processing effects on glass transition temperature and physical aging in ultrathin polymer films: Novel fluorescence measurements.</a> Euro. Phys. J. E. 8 (2), 155-166 (2002).</li>
<li>Ellison, C. J., Mundra, M. K., Torkelson, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impacts+of+polystyrene+molecular+weight+and+modification+to+the+repeat+unit+structure+on+the+glass+Transition%E2%88%92Nanoconfinement+effect+and+the+cooperativity+length+scale%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Impacts of polystyrene molecular weight and modification to the repeat unit structure on the glass Transition−Nanoconfinement effect and the cooperativity length scale.</a> Macromolecules. 38 (5), 1767-1778 (2005).</li>
<li>Yang, Z., Fujii, Y., Lee, F. K., Lam, C. H., Tsui, O. K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glass+transition+dynamics+and+surface+layer+mobility+in+unentangled+polystyrene+films%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Glass transition dynamics and surface layer mobility in unentangled polystyrene films.</a> Science. 328 (5986), 1676-1679 (2010).</li>
<li>Tsui, O. K. C., Zhang, H. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+chain+ends+and+chain+entanglement+on+the+glass+transition+temperature+of+polymer+thin+films%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Effects of chain ends and chain entanglement on the glass transition temperature of polymer thin films.</a> Macromolecules. 34 (26), 9139-9142 (2001).</li>
<li>Roth, C. B., Dutcher, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glass+Transition+and+Chain+Mobility+in+thin+Polymer+Films%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Electroanal.+Chem%22%5BJournal%5D)">Glass Transition and Chain Mobility in thin Polymer Films.</a> J. Electroanal. Chem. 584, 13-22 (2005).</li>
<li>Ediger, M. D., Forrest, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics+near+Free+Surfaces+and+the+Glass+Transition+in+Thin+Polymer+Films%3A+A+View+to+the+Future%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Dynamics near Free Surfaces and the Glass Transition in Thin Polymer Films: A View to the Future.</a> Macromolecules. 47 (2), 471-478 (2014).</li>
<li>Serghei, A., Huth, H., Schick, C., Kremer, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glassy+dynamics+in+thin+polymer+layers+having+a+free+upper+interface%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Glassy dynamics in thin polymer layers having a free upper interface.</a> Macromolecules. 41 (10), 3636-3639 (2008).</li>
<li>Huth, H., Minakov, A. A., Schick, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Differential+AC-chip+calorimeter+for+glass+transition+measurements+in+ultrathin+films%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Polym.+Sci.+B%22%5BJournal%5D)">Differential AC-chip calorimeter for glass transition measurements in ultrathin films.</a> J. Polym. Sci. B. 44 (20), 2996-3005 (2006).</li>
<li>Tress, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glassy+dynamics+in+condensed+isolated+polymer+chains%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Glassy dynamics in condensed isolated polymer chains.</a> Science. 341 (6152), 1371-1374 (2013).</li>
<li>Boucher, V. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((T+g+depression+and+invariant+segmental+dynamics+in+polystyrene+thin+films%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">T g depression and invariant segmental dynamics in polystyrene thin films.</a> Soft Matter. 8 (19), 5119-5122 (2012).</li>
<li>Yu, M., Olson, E. A., Zhang, M., Zhang, Z., Allen, L. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glass+transition+in+ultrathin+polymer+films%3A+Calorimetric+study%5BTitle%5D)+AND+%22PRL%22%5BJournal%5D)">Glass transition in ultrathin polymer films: Calorimetric study.</a> PRL. 91 (8), 085703(2003).</li>
<li>Kremer, F., Tress, M., Mapesa, E. U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Glassy+dynamics+and+glass+transition+in+nanometric+layers+and+films%3A+A+silver+lining+on+the+horizon%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Crys.+Solids%22%5BJournal%5D)">Glassy dynamics and glass transition in nanometric layers and films: A silver lining on the horizon.</a> J. Non-Crys. Solids. 407, 277-283 (2015).</li>
<li>Qi, D., Ilton, M., Forrest, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+surface+and+bulk+relaxation+in+glassy+polymers%5BTitle%5D)+AND+%22Euro.+Phys.+J.+E%22%5BJournal%5D)">Measuring surface and bulk relaxation in glassy polymers.</a> Euro. Phys. J. E. 34 (6), 1-7 (2011).</li>
<li>Teichroeb, J. H., Forrest, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+imaging+of+nanoparticle+embedding+to+probe+viscoelasticity+of+polymer+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22PRL%22%5BJournal%5D)">Direct imaging of nanoparticle embedding to probe viscoelasticity of polymer surfaces.</a> PRL. 91 (1), 016104(2003).</li>
<li>Fakhraai, Z., Forrest, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+the+surface+dynamics+of+glassy+polymers%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Measuring the surface dynamics of glassy polymers.</a> Science. 319 (5863), 600-604 (2008).</li>
<li>Paeng, K., Swallen, S. F., Ediger, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+measurement+of+molecular+motion+in+freestanding+polystyrene+thin+films%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Direct measurement of molecular motion in freestanding polystyrene thin films.</a> J. Am. Chem. Soc. 133 (22), 8444-8447 (2011).</li>
<li>Glor, E. C., Fakhraai, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Facilitation+of+interfacial+dynamics+in+entagled+polymer+films%5BTitle%5D)+AND+%22JCP%22%5BJournal%5D)">Facilitation of interfacial dynamics in entagled polymer films.</a> JCP. 141 (9), 194505(2014).</li>
<li>Fakhraai, Z., Forrest, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+slow+dynamics+in+supported+thin+polymer+films%5BTitle%5D)+AND+%22PRL%22%5BJournal%5D)">Probing slow dynamics in supported thin polymer films.</a> PRL. 95 (2), 025701(2005).</li>
<li>Roth, C. B., McNerny, K. L., Jager, W. F., Torkelson, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Eliminating+the+enhanced+mobility+at+the+free+surface+of+polystyrene%3A+fluorescence+studies+of+the+glass+transition+temperature+in+thin+bilayer+films+of+immiscible+polymers%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Eliminating the enhanced mobility at the free surface of polystyrene: fluorescence studies of the glass transition temperature in thin bilayer films of immiscible polymers.</a> Macromolecules. 40 (7), 2568-2574 (2007).</li>
<li>Priestley, R. D., Ellison, C. J., Broadbelt, L. J., Torkelson, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+relaxation+of+polymer+glasses+at+surfaces%2C+interfaces%2C+and+in+between%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Structural relaxation of polymer glasses at surfaces, interfaces, and in between.</a> Science. 309 (5733), 456-459 (2005).</li>
<li>Gao, S., Koh, Y. P., Simon, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Calorimetric+Glass+Transition+of+Single+Polystyrene+Ultrathin+Films%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Calorimetric Glass Transition of Single Polystyrene Ultrathin Films.</a> Macromolecules. 46 (92), 562-570 (2013).</li>
<li>Tropin, T. V., Schulz, G., Schmelzer, J. W. P., Schick, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heat+capacity+measurements+and+modeling+of+polystyrene+glass+transition+in+a+wide+range+of+cooling+rates%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">Heat capacity measurements and modeling of polystyrene glass transition in a wide range of cooling rates.</a> J. Non-Cryst. Solids. 409, 63-75 (2015).</li>
<li>Kim, S., Hewlett, S. A., Roth, C. B., Torkelson, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Confinement+effects+of+glass+transition+temperature%2C+transition+breadth%2C+and+expansivity%3A+Comparison+of+ellipsometry+and+fluorescence+measurements+on+polystyrene+films%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+Phys.+J.E%22%5BJournal%5D)">Confinement effects of glass transition temperature, transition breadth, and expansivity: Comparison of ellipsometry and fluorescence measurements on polystyrene films.</a> Eur. Phys. J.E. 30, 83-92 (2009).</li>
<li>Schawe, J. E. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vitrification+in+a+wide+cooling+rate+range%3A+The+relations+between+cooling+rate%2C+relaxation+time%2C+transition+width+and+fragility%5BTitle%5D)+AND+%22JCP%22%5BJournal%5D)">Vitrification in a wide cooling rate range: The relations between cooling rate, relaxation time, transition width and fragility.</a> JCP. 141, 184905(2014).</li>
<li>Donth, E., Korus, J., Hempel, E., Beiner, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+DSC+heating+rate+and+HCS+frequency+at+the+glass+transition%5BTitle%5D)+AND+%22Thermochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Comparison of DSC heating rate and HCS frequency at the glass transition.</a> Thermochimica Acta. 304-305, 239-249 (1997).</li>
<li>Zhang, C., Guo, Y., Priestley, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Confined+glassy+properties+of+polymer+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Polym.+Sci.+B%22%5BJournal%5D)">Confined glassy properties of polymer nanoparticles.</a> J. Polym. Sci. B. 51 (7), 574-586 (2013).</li>
<li>Koh, Y. P., Grassia, L., Simon, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+Recovery+of+a+Single+Polystyrene+Thin+Film+Using+Nanocalorimetry+to+Extend+the+Aging+Time+and+Temperature+Range%5BTitle%5D)+AND+%22Thermochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Structural Recovery of a Single Polystyrene Thin Film Using Nanocalorimetry to Extend the Aging Time and Temperature Range.</a> Thermochimica Acta. 603, 135-141 (2015).</li>
<li>Gao, S., Simon, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+the+limiting+fictive+temperature+over+five+decades+of+cooling+and+heating+rates%5BTitle%5D)+AND+%22Thermochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Measurement of the limiting fictive temperature over five decades of cooling and heating rates.</a> Thermochimica Acta. 603, 123-127 (2015).</li>
</ol>

Autorzy nie mają konfliktu interesów, który mogliby ujawnić.

Pomiary Tg zależne od szybkości chłodzenia to eksperymenty charakteryzujące o wysokiej przepustowości, które mogąokreślić TG, współczynnik rozszerzalności szkła i przechłodzonej cieczy, zależność średniej dynamiki od temperatury oraz kruchość określonego materiału szklistego w jednym eksperymencie. Co więcej, w przeciwieństwie do eksperymentów z fluorescencją, osadzaniem lub relaksacją nanodziur, eksperymenty CR-Tg są stosunkowo szybkie i proste, ponieważ nie wykorzystują fluoroforów ani ...

Przełomowa praca Keddiego Jonesa i Coreya1 wykazała, że temperatura zeszklenia (Tg) ultracienkich folii polistyrenowych spada w stosunku do wartości nasypowej przy grubościach poniżej 60 nm. Od tego czasu wiele badań eksperymentalnych2-11 potwierdziło hipotezę, że obserwowane zmniejszenie Tg jest spowodowane przez warstwę o zwiększonej mobilności w pobliżu swobodnej powierzchni tych folii. Jednak eksperymenty te są pośrednimi miarami pojedynczego czasu relaksacji, a zatem toczy się debata12-18 skoncentrowana na bezpośredniej korelacji między średnią dynamiką cienkich warstw a dynamiką na granicy powietrza / polimeru.
Aby odpowiedzieć na tę dyskusję, wiele badań bezpośrednio mierzyło dynamikę powierzchni swobodnej (powierzchni τ). Osadzanie nanocząstek,19,20 relaksacja nanodziur,21 i fluorescencja22 badania pokazują, że granica faz powietrze/polimer ma dynamikę o rzędy wielkości szybszą niż masowy czas relaksacji alfa (τα) przy znacznie słabszej zależności od temperatury niż τα. Ze względu na słabą zależność od temperatury,powierzchnia τ tych folii,19-22 i zwiększona dynamika cienkich warstw polistyrenu,23,24 przecina masową relaksację alfa (τα) w jednym punkcie T*, który jest kilka stopni powyżej Tg, i przyτ α ≈ 1 sek. Obecność T* może wyjaśniać, dlaczego eksperymenty, które badają czas relaksacji szybszy niż *, nie widzą żadnej zależności grubości od Tg ultracienkich warstw polistyrenu. 13-18 Wreszcie, podczas gdy bezpośrednie pomiary wzmocnionej warstwy ruchomej pokazują, że ma ona grubość 4-8 nm,20-22 istnieją dowody na to, że długość propagacji dynamiki na granicy faz powietrze/polimer jest znacznie większa niż grubość ruchomej warstwy powierzchniowej. 5,25,26
Ten raport ma na celu pełne opisanie protokołu korzystania z elipsometrii do eksperymentów z zależnym od szybkości chłodzenia Tg (CR-Tg). CR-Tg były wcześniej używane do opisu średniej dynamiki ultracienkich warstw polistyrenu. 23,24,27,28 Co więcej, technika ta została niedawno wykorzystana do wykazania bezpośredniej korelacji między średnią dynamiką w ultracienkich foliach polistyrenowych a dynamiką na swobodnej powierzchni. 23 Przewaga pomiarówCR-T g nad innymi typami pomiarów, takimi jak fluorescencja, osadzanie nanocząstek, relaksacja nanodziur, nanokalorymetria, spektroskopia dielektryczna i rozpraszanie światła Brillouina, badania polegają na tym, że są to stosunkowo szybkie i proste eksperymenty, które nie wykorzystują fluoroforów ani innych skomplikowanych technik eksperymentalnych. Najnowsze postępy w elipsometrii spektroskopowej pozwalają na wykorzystanie tej techniki do skutecznego określania właściwości optycznych ultracienkich warstw polimerów i innych rodzajów materiałów hybrydowych z wyjątkową dokładnością. W związku z tym technika ta bada średnią dynamikę stosowanych technologicznie cienkich warstw w reżimach temperaturowych i czasowych istotnych dla zeszklenia (T ≤ Tg, τα ≥ 100 sekund). Co więcej, technika ta dostarczy informacji na temat współczynników rozszerzalności cieczy chłodzonej szklistym i chłodzonym kolacją, a także kruchości systemu, które można następnie porównać z danymi dotyczącymi folii masowych. Wreszcie, eksperymenty CR-Tg mogą być stosowane do dowolnego systemu szklistego, o ile integralność filmu pozostaje przez cały czas trwania eksperymentu.

<table><tbody><tr><td>Toluen</td><td>Sigma Aldrich</td><td>179418-1L</td><td>Można go kupić w dowolnej firmie chemicznej.</td></tr><tr><td>Atacticren Polystyren</td><td>Polymer Source Inc.</td><td>P-4092-S</td><td>Można go kupić w dowolnej firmie chemicznej.</td></tr><tr><td>Stopień temperatury THMS 600</td><td>Linkam</td><td>THMS 600</td><td>można zastosować dowolny stopień temperatury, który można dopasować do elipsometru.</td></tr><tr><td>Elipsometr spektroskopowy M2000V</td><td>J.A. Woollam</td><td>M200V</td><td>Ta procedura powinna mieć zastosowanie do każdego elipsometru spektroskopowego.</td></tr><tr><td>Powlekarka wirowa</td><td>Laurell Technologies</td><td>WS-650-23B</td><td>Ta procedura jest możliwa z każdą powlekarką wirową</td></tr><tr><td>Fiolki na próbki</td><td>Fisher Scientific</td><td>02-912-379</td><td>Zrobią to dowolne fiolki z próbkami</td></tr><tr><td>Wafle krzemowe</td><td>Półprzewodniki Virginia</td><td>325S1410694D</td><td></td></tr></tbody></table>

pomiary elipsometrii zależne od szybkości chłodzenia w celu określenia dynamiki cienkich szklistych warstw

Cooling Rate Dependent Ellipsometry Measurements to Determine the Dynamics of Thin Glassy Films

Ten raport ma na celu pełne opisanie eksperymentalnej techniki wykorzystania elipsometrii do eksperymentów z zależnym od szybkości chłodzenia Tg (CR-Tg). Pomiary te są prostymi, wysokoprzepustowymi eksperymentami charakteryzującymi, które mogą określić temperaturę zeszklenia (Tg), średnią dynamikę, kruchość i współczynnik rozszerzalności przechłodzonej cieczy i stanu szklistego dla różnych materiałów szklistych. Technika ta pozwala na pomiar tych parametrów w jednym eksperymencie, podczas gdy inne metody muszą łączyć wiele różnych technik, aby zbadać wszystkie te właściwości. Pomiary dynamiki bliskiej Tg są szczególnie trudne. Przewagą pomiarów Tg zależnych od szybkości chłodzenia w porównaniu z innymi metodami, które bezpośrednio badają dynamikę relaksacji masy i powierzchni, jest to, że są to stosunkowo szybkie i proste eksperymenty, które nie wykorzystują fluoroforów ani innych skomplikowanych technik eksperymentalnych. Ponadto technika ta bada średnią dynamikę istotnych technologicznie cienkich warstw w reżimach temperatury i czasu relaksacji (τα) istotnych dla zeszklenia (τα > 100 sekund). Ograniczeniem do stosowania elipsometrii do eksperymentów Tg zależnych od szybkości chłodzenia jest to, że nie może ona badać czasów relaksacji istotnych dla pomiarów lepkości (τα << 1 s). Inne techniki pomiaru Tg zależne od szybkości chłodzenia mogą jednak rozszerzyć metodę CR-Tg na szybsze czasy relaksacji. Co więcej, technika ta może być stosowana w dowolnym systemie szklistym, o ile integralność filmu pozostaje przez cały czas trwania eksperymentu.

Dopasowanie surowych danych elipsometrycznych
Filmy polistyrenowe są przezroczyste w zakresie długości fal elipsometru (500-1,600 nm). W związku z tym model Cauchy'ego jest odpowiednim modelem do opisu współczynnika załamania światła filmów polistyrenowych. Rycina 1A przedstawia przykład Ψ(λ) i Δ(λ) dla grubego (274 nm) filmu polistyrenowego oraz wynik dopasowania do modelu Cauchy'ego <img alt="...

Tutaj prezentujemy protokół eksperymentów elipsometrycznych zależnych od szybkości chłodzenia, który może określić temperaturę zeszklenia (Tg), średnią dynamikę, kruchość i współczynnik rozszerzalności przechłodzonej cieczy i szkła dla różnych materiałów szklistych.

Pomiary elipsometrii zależne od szybkości chłodzenia w celu określenia dynamiki cienkich szklistych warstw

This report aims to fully describe the experimental technique of using ellipsometry for cooling rate dependent Tg (CR-Tg) experiments. These measurements ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest dostarczenie prostej metody szybkiego i dokładnego pomiaru temperatury przejścia szklistego, pozornego współczynnika rozszerzalności oraz średniej dynamiki ultrazcienkich warstw szklistych. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z dziedziny szkła polimerowego, takie jak zależność dynamiki cienkich warstw od dynamiki materiału w objętości. Główną zaletą tej techniki jest możliwość obliczenia temperatury przejścia szklistego, pozornych współczynników aktywacji oraz kruchości polimerowych warstw ultrazcienkich w ramach jednego eksperymentu o wysokiej przepustowości.Choć przedstawiony tutaj przykład koncentruje się głównie na szkłach polimerowych, metodę tę można zastosować szerzej do badania właściwości grubych i cienkich warstw innych rodzajów szkieł, takich jak szkła z cząsteczek organicznych i nanokompozyty. Rozpocznij przygotowywanie warstwy dzień przed planowanymi pomiarami temperatury przejścia szklistego. Przygotuj wagę do dokładnego odważenia materiałów na warstwę.W tym eksperymencie do stworzenia filmu zostaną wykorzystane polistyren i toluen. Należy rozpocząć od odważenia 40 mg polistyrenu. Następnie należy dodać 2 g toluenu, aby otrzymać film o grubości około 100 nm.Po pozostawieniu roztworu przez noc, należy wykorzystać go do wytworzenia filmu. Przenieś fiolkę do urządzenia do powlekania wirowego (spin coater) znajdującego się w dygestorium. W dygestorium odstaw roztwór do późniejszego użycia.Należy również upewnić się, że toluen jest przygotowany do użycia z powlekarką rotacyjną. Następnie należy przygotować podłoże z krzemu, na którym zostanie naniesiona warstwa metodą spin coatingu. Podłoże krzemowe do tego protokołu ma wymiary jednego centymetra na jeden centymetr.Umieść podłoże krzemowe w wirówce do nanoszenia warstw i wiruj je z prędkością 8 000 rpm przez 45 sekund. Podczas wirowania nanieś na podłoże około jednego mililitra toluenu. Zatrzymaj wirówkę po 45 sekundach wirowania.Używając przygotowanego roztworu polistyrenu w toluenie, zacznij dodawać go kroplami na powierzchnię krzemu. Przerwij proces, gdy cała powierzchnia zostanie pokryta. Przed wyschnięciem roztworu, wiruj podłoże z prędkością 4, 000 rpm przez 20 sekund.Zatrzymaj powlekarkę rotacyjną i wyjmij podłoże krzemowe w celu pomiaru grubości warstwy. Wyznacz grubość warstwy za pomocą elipsometru. Rozpocznij od umieszczenia próbki na stoliku elipsometru i jej zabezpieczenia.Następnie należy sprawdzić kąt padania, czas akwizycji oraz pozostałe ustawienia, a następnie rozpocząć skanowanie. Po zebraniu danych należy użyć oprogramowania elipsometru do dopasowania kątów elipsometrycznych.Należy zastosować model trójwarstwowy. Pierwszą warstwą jest podłoże, w tym przypadku krzem. Druga warstwa, warstwa numer jeden, to tlenek natywny.Warstwa ta ma grubość 1,5 nanometrów. Trzecia warstwa, warstwa numer dwa, to model Cauchy’ego, odpowiadający właściwościom optycznym filmu polistyrenowego. Model Cauchy’ego dla współczynnika załamania światła jest określony przez następujący wzór.Lambda to długość fali, a A i B to stałe, które należy wyznaczyć z danych. K przyjmuje wartość zero dla materiału przezroczystego. Model pozwala na wyznaczenie grubości warstwy, która w tym przypadku wynosi około 105 nanometrów.Wyjmij wafelek z elipsometru i przejdź do następnego kroku. Jeśli warstwa ma pożądaną grubość, umieść wafelek w piecu próżniowym. Włóż wafelek do pieca i wyżarz go przez 15 godzin w temperaturze 393 Kelvin.Wróć do elipsometru z wyżarzoną warstwą. Odłóż warstwę na bok podczas przygotowywania stolika pomiarowego. Elipsometr powinien być wyposażony w stolik z regulacją temperatury.Użyj pasty termoprzewodzącej, aby pokryć powierzchnię elementu grzejnego. Następnie umieść wyżarzoną folię polistyrenową na elemencie grzejnym. Następnie mocno ją przymocuj za pomocą zacisków.Uruchom przepływ 100% suchego azotu przez stopień temperaturowy. Skorzystaj z komputera i oprogramowania stopnia temperaturowego, aby utworzyć profil temperatury. Rysunek ten przedstawia przykładowy profil temperatury.Temperatura znajduje się na osi pionowej. Czas znajduje się na osi poziomej. Próbka jest naprzemiennie podgrzewana do 393 Kelvin oraz chłodzona do 293 Kelvin.Szybkość wzrostu temperatury jest zawsze stała i wynosi 150 Kelvin na minutę, co wskazuje stałe, strome nachylenie w górę. Szybkość spadku temperatury zmienia się w każdym cyklu. Zaczyna się gwałtownie, a następnie zwalnia, co obrazują zmienne nachylenia w dół na rysunku.Próbkę utrzymuje się przez 20 minut po pierwszym osiągnięciu temperatury 393 Kelvin. Wszystkie późniejsze czasy utrzymywania temperatury, zarówno w 393 Kelvin, jak i w 293 Kelvin, wynoszą pięć minut. Pozostań przy komputerze, aby dokończyć konfigurację eksperymentu.Użyj oprogramowania elipsometru do stworzenia modelu elipsometrii zależnego od temperatury. Warstwa podłoża jest zależnym od temperatury modelem krzemu. Warstwa numer jeden to 1,5 nanometrowa natywna warstwa tlenku.Warstwa numer dwa, czyli trzecia warstwa, to model Cauchy’ego dla folii polistyrenowej. Pracuj z ustawieniami warstwy krzemu zależnymi od temperatury. Włącz opcję „Use Ext Temp from Parm Log”, aby umożliwić korzystanie z temperatury stopnia temperaturowego.Przejdź teraz do edycji konfiguracji sprzętowej. Ustaw czas szybkiej akwizycji na jedną sekundę. Następnie wybierz opcję uśredniania stref o wysokiej dokładności.Ustaw standardowy czas akwizycji na trzy sekundy. Ponownie zastosuj uśrednianie strefowe o wysokiej dokładności. Kliknij kartę „In Situ” w oprogramowaniu elipsometru.Zaznacz pole „Fast Acquisition Time Mode”. Naciśnij „Start Acquisition”, aby rozpocząć gromadzenie danych. Monitoruj proces zbierania danych podczas realizacji profilu temperatury.Tuż przed rampą chłodzenia o tempie 3 K/min odznacz pole wyboru „Fast Acquisition”. Wykorzystaj pomiary grubości w funkcji temperatury dla danej rampy chłodzenia, aby obliczyć temperaturę przejścia szklistego. Na przedstawionej krzywej obszar wyróżniony na czerwono odpowiada cieczy przechłodzonej.Obszar zaznaczony na niebiesko odpowiada zakresowi szklistemu. Punkt, w którym przecinają się dopasowania liniowe do tych obszarów, definiuje temperaturę przejścia szklistego. Próbka ta stanowi 110 nanometrową błonę polistyrenową polistyrenu o masie 342 kilogram na mol.Szybkość chłodzenia wynosi 10 K/min. Pomiary przy szybkości 1 K/min wskazują temperaturę około 372 K. Poniżej przedstawiono dane dotyczące temperatury przejścia szklistego w funkcji szybkości chłodzenia dla filmu polistyrenu o grubości 110 nm.Te same dane naniesiono za pomocą czarnych kółek, stosując logarytm szybkości chłodzenia na lewej osi pionowej. Oś pozioma przedstawia wartość 1000 podzieloną przez temperaturę przejścia, zgodnie z sugerowaną relacją empiryczną. Dla porównania, czerwone kwadraty reprezentują dynamikę objętościową polistyrenu, określoną za pomocą spektroskopii dielektrycznej.W przypadku tych danych należy odnieść się do prawej osi logarytmu czasu relaksacji alfa objętościowej oraz osi poziomej, 1000 podzielone przez temperaturę. Po opanowaniu tej techniki, przy prawidłowym wykonaniu, procedura zajmie pięć godzin. Podczas przeprowadzania tej procedury ważne jest pamiętanie o zastosowaniu odpowiedniego modelu materiałowego, aby precyzyjnie dopasować wartości elipsometrii dla grubości i współczynnika załamania światła filmu.Po raz pierwszy wypróbowałem tę metodę badania cienkich warstw polimerowych w laboratorium Jamesa Forresta na Uniwersytecie w Waterloo. Jednak dzięki ostatnim postępom w technologii elipsometrii możemy obecnie wykorzystać ją jako metodę wysokoprzepustową do badania szerokich układów, takich jak organiczne cienkie warstwy i nowo syntetyzowane cząsteczki. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo dobrze rozumieć, jak przygotować polimerową cienką warstwę oraz obliczyć temperaturę przejścia szklistego, współczynnik rozszerzalności oraz pozorną barierę aktywacji czasu relaksacji w pobliżu przejścia szklistego.

cooling-rate-dependent-ellipsometry-measurements-to-determine

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Tenadrifluoroacetonian europu (EuTFC) ma linię luminescencji optycznej o długości fali 612 nm, której skuteczność aktywacji znacznie spada wraz z temperaturą. Jeśli próbka pokryta cienką warstwą tego materiału zostanie zmikroobrazowana, intensywność odpowiedzi luminescencyjnej 612 nm może zostać przekształcona w bezpośrednią mapę temperatury powierzchni próbki.

Mikroobrazowanie termiczne o wysokiej rozdzielczości z wykorzystaniem powłok luminescencyjnych z chelatem europu

Tutaj prezentujemy protokół do szacowania właściwości optycznych materiału i powierzchni za pomocą efektu fotoakustycznego połączonego z całkowitym wewnętrznym odbiciem. Technika ta, która eliminuje fotoakustykę opartą na polu, może być wykorzystana do stworzenia fotoakustycznego systemu metrologicznego do szacowania grubości materiałów, współczynników załamania światła objętościowych i cienkowarstwowych oraz badania ich właściwości optycznych.

Fotoakustyka oparta na polu ulotnym: ocena właściwości optycznych na powierzchniach

Metoda osadzania warstwy szkła chalkogenkowego o jednolitej grubości pochodzącej z roztworu jest demonstrowana przy użyciu komputerowo sterowanego numerycznie ruchu elektrosprayu z pojedynczą dyszą.

Osadzanie elektronatryskowe o jednolitej grubości Ge23Sb7S70 i As40S60 Folie ze szkła chalkogenkowego

Tutaj prezentujemy protokół do wywołania orientacyjnego przejścia ciekłego kryształu w odpowiedzi na temperaturę. Opisano metodologie przygotowania próbki w celu obserwacji przejścia i szczegółowej ewolucji przejściowej.

Przejście orientacyjne w ciekłym krysztale wywołane termodynamicznym wzrostem międzyfazowych arkuszy zwilżających

Opisano protokół określania gęstości fazy szklistej mikro- do pikolitrowych kropli mieszanin wodnych w temperaturach kriogenicznych.

Pomiar gęstości szkieł wodnych w temperaturach kriogenicznych

Celem protokołu jest stworzenie ciekłokrystalicznych warstw polimerowych, które mogą mechanicznie oscylować pod wpływem ciągłego promieniowania światłem. Szczegółowo opisujemy koncepcję folii wolnostojących, od metody wyrównywania ciekłokrystalicznego po fotoaktywację. Protokół eksperymentalny zastosowany do przygotowania tego materiału ma szerokie zastosowanie.

Przygotowanie sieci ciekłokrystalicznych do makroskopowych ruchów oscylacyjnych indukowanych światłem

Przedstawiono protokół procesu produkcji polimerowych cienkowarstwowych struktur kompozytowych o różnych modułach lub grubościach Younga. Folie są produkowane do zaawansowanych badań nad kulturami komórkowymi lub jako kleje do skóry.

Cienkowarstwowe kompozytowe elastomery krzemowe do hodowli komórkowych i zastosowań skórnych: produkcja i charakterystyka

Tutaj prezentujemy protokół opisujący badania ex situ i in situ przemian strukturalnych w szkłach metalowych. Zastosowaliśmy metody analityczne oparte na jądrze, które badają oddziaływania nadsubtelne. Wykazujemy możliwość zastosowania spektrometrii Mössbauera i jądrowego rozpraszania promieniowania synchrotronowego do przodu podczas eksperymentów opartych na temperaturze.

Metody badań przemian strukturalnych ex situ i in situ: przypadek krystalizacji szkieł metalicznych

Tutaj przedstawiamy syntezę i charakterystykę uporządkowanego nanoporowatego węgla (o wielkości porów 4,6 nm) i SBA-15 (o wielkości porów 5,3 nm). W pracy opisano właściwości powierzchniowe i teksturalne nanoporowatych sit molekularnych, ich zwilżalność oraz topnienie D2O zamkniętego w materiałach.

Właściwości powierzchniowe zsyntetyzowanych nanoporowatych matryc węglowych i krzemionkowych

Ten protokół demonstruje przygotowanie materiału fotoreologicznego, który wykazuje fazę stałą, różne fazy ciekłokrystaliczne i izotropową fazę ciekłą poprzez zwiększenie temperatury. Przedstawiono metody pomiaru zależności struktura-lepkosprężystość materiału.

Wysoki kontrast i szybkie przełączanie fotoreologiczne nematycznego ciekłego kryształu typu twist-bend

Ten artykuł opisuje protokoły przygotowania próbek, redukcji danych i analizy danych w badaniach neutronowego echa spinowego (NSE) błon lipidowych. Rozsądne znakowanie lipidów deuterem umożliwia dostęp do różnych dynamik błon w mezoskopowych skalach długości i czasu, w których zachodzą ważne procesy biologiczne.

Spektroskopia neutronowego echa spinowego jako unikalna sonda do badania dynamiki błony lipidowej i interakcji błona-białko

Poznaj metodę elipsometrii zależnej od szybkości chłodzenia do pomiaru temperatury przejścia szklistego i dynamiki ultracienkich filmów szklistych. Technika umożliwia wysokoprzepustowe badania właściwości materiałów polimerowych.

Pomiary elipsometrii zależne od szybkości chłodzenia w celu określenia dynamiki cienkich szklistych warstw

Przeglądaj więcej filmów