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

Ogólnym celem tej procedury jest zapewnienie prostej metody szybkiego i dokładnego pomiaru temperatury zeszklenia, współczynnika rozszerzalności pozornej i średniej dynamiki ultracienkich warstw szklistych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie szkła polimerowego, takie jak to, w jaki sposób dynamika cienkich warstw odnosi się do dynamiki masy. Główną zaletą tej techniki jest to, że może ona obliczyć temperaturę zeszklenia, pozorne współczynniki aktywacji i kruchość ultracienkich warstw polimerowych w jednym eksperymencie o wysokiej przepustowości.

Chociaż podany tutaj przykład koncentruje się głównie na szkłach polimerowych, metoda ta może być stosowana szerzej do badania właściwości grubych i cienkich warstw innych rodzajów szkieł, takich jak szkła z cząsteczkami organicznymi i nanokompozyty. Zacznij przygotowywać folię dzień przed tym, jak będzie potrzebna do pomiarów temperatury zeszklenia. Przygotuj wagę do dokładnego ważenia materiałów na folię.

W tym eksperymencie do stworzenia filmu zostanie wykorzystany polistyren i toluen. Zacznij od odmierzenia 40 miligramów polistyrenu. Dodaj dwa gramy toluenu, aby uzyskać film o długości około 100 nanometrów.

Po tym, jak roztwór usiądzie przez noc, użyj go do stworzenia filmu. Przenieść fiolkę do powlekarki wirowej, która znajduje się pod wyciągiem. Pod wyciągiem odłóż roztwór na bok do późniejszego użycia.

Upewnij się również, że toluen jest gotowy do użycia z powlekarką wirową. Następnie zdobądź wafel silikonowy, na którym utworzysz film przez powlekanie wirowe. Płytka krzemowa dla tego protokołu ma wymiary jeden centymetr na jeden centymetr.

Umieść wafel w wirówce i wiruj go z prędkością 8 000 obr./min przez 45 sekund. Gdy wafel się obraca, upuść na niego około jednego mililitra toluenu. Zatrzymaj powlekarkę wirową po 45 sekundach wirowania.

Użyj przygotowanego roztworu polistyrenu i toluenu i zacznij dodawać go kroplami do powierzchni krzemu. Zatrzymaj się, gdy cała powierzchnia zostanie pokryta. Zanim roztwór wyschnie, wiruj wafel z prędkością 4 000 obr./min przez 20 sekund.

Zatrzymaj powlekarkę wirową i wyjmij wafel, aby zmierzyć grubość folii. Określ grubość folii za pomocą elipsometru. Zacznij od umieszczenia folii na stoliku elipsometru i zabezpieczenia go.

Kontynuuj, sprawdzając kąt padania, czas akwizycji i inne ustawienia. Następnie rozpocznij skanowanie. Po zebraniu danych użyj oprogramowania elipsometru, aby dopasować kąty elipsometryczne.

Użyj modelu trójwarstwowego. Pierwsza warstwa to podłoże, w tym przypadku krzem. Druga warstwa, warstwa numer jeden, jest tlenkiem natywnym.

Warstwa ma grubość 1,5 nanometra. Trzecia warstwa, warstwa numer dwa, to model Cauchy'ego, odpowiadający właściwościom optycznym folii polistyrenowej. Model Cauchy'ego dla współczynnika załamania światła jest określony tym wzorem.

Lambda to długość fali, a A i B to stałe, które należy wyznaczyć na podstawie danych. K jest równe zero dla materiału przezroczystego. Model zwraca określenie grubości warstwy, w tym przypadku około 105 nanometrów.

Wyjmij wafel z elipsometru i przejdź do następnego kroku. Jeśli folia ma pożądaną grubość, zanieś wafel do pieca próżniowego. Umieść wafel w piekarniku i wyżarzaj go przez 15 godzin w temperaturze 393 kelwinów.

Wróć do elipsometru z wyżarzoną folią. Odłóż folię na bok podczas przygotowywania stolika na próbkę. Elipsometru powinien być wyposażony w stopień o zmiennej temperaturze.

Użyj pasty termicznej, aby pokryć powierzchnię elementu grzejnego. Następnie umieść wyżarzoną folię polistyrenową na elemencie grzejnym. Następnie zaciśnij go mocno na miejscu.

Rozpocznij przepływ 100% suchego azotu przez etap temperatury. Zwróć się do komputera i oprogramowania stage temperatury, aby utworzyć profil temperatury. Ten rysunek daje wyobrażenie o profilu temperatury.

Temperatura jest wzdłuż osi pionowej. Czas przebiega wzdłuż osi poziomej. Próbka jest na przemian podgrzewana do 393 kelwinów i schładzana do 293 kelwinów.

Nachylenie wzrostu temperatury wynosi zawsze stałe 150 kelwinów na minutę, na co wskazuje stałe strome nachylenie w górę. Ramp-down zmienia się w każdym cyklu. Zaczyna się szybko, a następnie zwalnia, na co wskazują zmieniające się zbocza w dół na rysunku.

Próbka jest przetrzymywana przez 20 minut po tym, jak po raz pierwszy osiągnie 393 kelwiny. Wszystkie późniejsze czasy utrzymywania temperatury, zarówno 393 kelwinów, jak i 293 kelwinów, wynoszą pięć minut. Pozostań przy komputerze, aby dokończyć konfigurację eksperymentu.

Użyj oprogramowania elipsomemetru, aby utworzyć model elipsometrii zależny od temperatury. Warstwa podłoża jest modelem krzemowym zależnym od temperatury. Warstwa numer jeden to natywna warstwa tlenku o grubości 1,5 nanometra.

Warstwa numer dwa, trzecia warstwa, to model Cauchy'ego dla folii polistyrenowej. Pracuj z ustawieniami warstwy krzemu zależnymi od temperatury. Włącz Użyj temperatury zewnętrznej z dziennika Parm"aby umożliwić korzystanie z temperatury stage temperatura.

Teraz przejdź do edycji, aby móc edytować konfiguracje sprzętowe. Ustaw szybki czas akwizycji na jedną sekundę. Wybierz również uśrednianie stref o wysokiej dokładności.

Ustaw normalny czas akwizycji na trzy sekundy. Po raz kolejny użyj uśredniania stref o wysokiej dokładności. Kliknij In Situ"zakładkę w oprogramowaniu elipsometru.

Zaznacz pole Tryb szybkiego czasu akwizycji". Naciśnij Rozpocznij akwizycję", aby rozpocząć zbieranie danych. Monitoruj gromadzenie danych w miarę śledzenia profilu temperatury.

Tuż przed rampą chłodzenia trzy kelwiny na minutę odznacz pole czasu Szybka akwizycja. Użyj pomiarów grubości w funkcji temperatury dla danej rampy chłodzącej, aby obliczyć temperaturę zeszklenia. Na tej krzywej próbki obszar zaznaczony na czerwono odpowiada przechłodzonej cieczy.

Obszar zaznaczony na niebiesko odpowiada reżimowi szklistemu. Punkt, w którym przecinają się pasowania liniowe do tych obszarów, określa temperaturę zeszklenia. Ta próbka to folia polistyrenowa o grubości 110 nanometrów o wadze 342 kilogramów na mol polistyrenu.

Szybkość chłodzenia wynosi 10 kelwinów na minutę. Pomiary z prędkością jednego kelvina na minutę dają temperaturę około 372 kelwinów. Oto dane dotyczące temperatury zeszklenia w funkcji szybkości chłodzenia dla 110-nanometrowej folii polistyrenu.

Te same dane są wykreślane za pomocą czarnych kółek przy użyciu logarytmu szybkości chłodzenia na lewej osi pionowej. Oś pozioma jest 1000 powyżej temperatury przejścia, jak sugeruje zależność empiryczna. Dla porównania, czerwone kwadraty to dynamika masowa polistyrenu, określona za pomocą spektroskopii dielektrycznej.

Aby uzyskać te dane, należy zapoznać się z prawą osią logarytmu czasu relaksacji masowej alfa i osią poziomą, 1000 nad temperaturą. Po opanowaniu tej techniki zajmie to pięć godzin, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Podejmując się tej procedury, należy pamiętać o użyciu odpowiedniego modelu materiałowego, tak aby dokładnie dopasować wartości elipsometrii do grubości i współczynnika załamania filmu.

Po raz pierwszy wypróbowałem tę metodę badania cienkich warstw polimerów w laboratorium Jamesa Forresta na Uniwersytecie Waterloo. Jednak dzięki niedawnym postępom w technologii elipsometrii jesteśmy teraz w stanie wykorzystać ją jako metodę o wysokiej przepustowości do badania szerokich systemów, takich jak organiczne cienkie warstwy i nowo zsyntetyzowane cząsteczki. Po tym filmie powinieneś dobrze zrozumieć, jak zrobić cienkowarstwową warstwę polimerową i obliczyć temperaturę zeszklenia, współczynnik rozszerzalności i pozorną barierę aktywacji dla czasu relaksacji w pobliżu zeszklenia.