Arrefecimento Medidas de freqüência Elipsometria Dependentes para determinar a dinâmica de finas Glassy Films

O objetivo geral deste procedimento é fornecer um método simples para medir com rapidez e precisão a temperatura de transição vítrea, o coeficiente de expansão aparente e a dinâmica média de filmes vítreos ultrafinos. Este método pode ajudar a responder a questões-chave em um campo de vidro polimérico, como a dinâmica dos filmes finos se relaciona com a do volume. A principal vantagem dessa técnica é que ela pode calcular a temperatura de transição vítrea, os coeficientes de ativação aparentes e as fragilidades dos filmes ultrafinos de polímeros em um único experimento de alto rendimento.

Embora o exemplo fornecido aqui seja focado principalmente em vidros de polímero, esse método pode ser aplicado de forma mais ampla para estudar as propriedades de filmes espessos e finos de outros tipos de vidros, como vidros de moléculas orgânicas e nanocompósitos. Comece a preparar o filme um dia antes de ser necessário para as medições de temperatura de transição vítrea. Tenha uma balança pronta para pesar com precisão os materiais para o filme.

Este experimento usará poliestireno e tolueno para criar o filme. Comece medindo 40 miligramas de poliestireno. Adicione dois gramas de tolueno para produzir um filme de aproximadamente 100 nanômetros.

Depois que a solução for colocada durante a noite, use-a para criar um filme. Mova o frasco para um revestidor giratório que esteja em uma capela de exaustão. Na hotte, colocar a solução de lado para utilização posterior.

Além disso, certifique-se de que haja tolueno pronto para uso com o revestidor giratório. Em seguida, obtenha um wafer de silício para criar o filme por revestimento giratório. O wafer de silício para este protocolo é de um centímetro por um centímetro.

Coloque o wafer no revestidor de centrifugação e gire-o a 8.000 rpm por 45 segundos. À medida que o wafer gira, coloque aproximadamente um mililitro de tolueno nele. Pare o revestidor de centrifugação após 45 segundos de centrifugação.

Use a solução preparada de poliestireno e tolueno e comece a adicioná-la gota a gota à superfície do silício. Pare quando toda a superfície estiver coberta. Antes que a solução seque, gire o wafer a 4.000 rpm por 20 segundos.

Pare o revestidor giratório e remova o wafer para medir a espessura do filme. Determine a espessura do filme usando um elipsômetro. Comece colocando o filme no estágio do elipsômetro e prendendo-o.

Continue verificando o ângulo de incidência, o tempo de aquisição e outras configurações. Em seguida, inicie a verificação. Após a coleta de dados, use o software do elipsômetro para ajustar os ângulos elipsométricos.

Use um modelo de três camadas. A primeira camada é o substrato, neste caso, o silício. A segunda camada, camada número um, é um óxido nativo.

A camada tem uma espessura de 1,5 nanômetros. A terceira camada, camada número dois, é um Modelo Cauchy, correspondendo às propriedades ópticas do filme de poliestireno. O Modelo de Cauchy para o índice de refração é dado por esta fórmula.

Lambda é o comprimento de onda e A e B são constantes a serem determinadas a partir de dados. K é igual a zero para um material transparente. O modelo retorna uma determinação da espessura do filme, neste caso, cerca de 105 nanômetros.

Remova o wafer do elipsômetro e prossiga para a próxima etapa. Se o filme tiver a espessura desejada, leve o wafer ao forno a vácuo. Colocar a bolacha na estufa e cozer durante 15 horas a 393 Kelvin.

Retorne ao elipsômetro com o filme recozido. Coloque o filme de lado enquanto prepara o estágio de amostra. O elipsômetro deve ser equipado com um estágio de temperatura variável.

Use uma pasta térmica para revestir a superfície de seu elemento de aquecimento. Em seguida, coloque o filme de poliestireno recozido no elemento de aquecimento. Em seguida, prenda-o firmemente no lugar.

Inicie um fluxo de nitrogênio 100% seco através do estágio de temperatura. Recorra ao computador e ao software de estágio de temperatura para criar um perfil de temperatura. Esta figura fornece uma ideia do perfil de temperatura.

A temperatura está ao longo do eixo vertical. O tempo está ao longo do eixo horizontal. A amostra é aquecida alternadamente a 393 Kelvin e resfriada a 293 Kelvin.

O grau de aumento de temperatura é sempre constante de 150 Kelvin por minuto, conforme indicado pela inclinação ascendente íngreme constante. A redução varia de acordo com cada ciclo. Começa rápido, depois desacelera, conforme indicado pelas mudanças nas inclinações descendentes na figura.

A amostra é mantida por 20 minutos depois de atingir 393 Kelvin. Todos os tempos de retenção de temperatura posteriores, em 393 Kelvin e 293 Kelvin, são de cinco minutos. Fique no computador para concluir a configuração do experimento.

Use o software do elipsômetro para criar um modelo de elipsometria dependente da temperatura. A camada de substrato é um modelo de silício dependente da temperatura. A camada número um é uma camada de óxido nativo de 1,5 nanômetros.

A camada número dois, a terceira camada, é o Modelo Cauchy para filme de poliestireno. Trabalhe com as configurações da camada de silício dependente da temperatura. Ative o Usar Ext Temp do Parm Log" para permitir o uso da temperatura stage temperatura.

Agora navegue para poder editar as configurações de hardware. Defina o tempo de aquisição rápida para um segundo. Além disso, selecione a média da zona de alta precisão.

Defina o tempo normal de aquisição para três segundos. Mais uma vez, use a média da zona de alta precisão. Clique na guia In Situ" do software do elipsômetro.

Marque a caixa Modo de Tempo de Aquisição Rápido". Pressione Iniciar aquisição"para começar a coletar dados. Monitore a coleta de dados à medida que o perfil de temperatura é seguido.

Pouco antes da rampa de resfriamento de três Kelvin por minuto, desmarque a caixa de tempo de aquisição rápida. Use medições da espessura versus temperatura para uma determinada rampa de resfriamento para calcular a temperatura de transição vítrea. Nesta curva de amostra, a região destacada em vermelho corresponde ao líquido super-resfriado.

A região destacada em azul corresponde ao regime vítreo. O ponto onde os ajustes lineares a essas regiões se cruzam define a temperatura de transição vítrea. Esta amostra é um filme de poliestireno de 110 nanômetros de 342 kg por mole de poliestireno.

A taxa de resfriamento é de 10 Kelvin por minuto. Medições de um Kelvin por minuto dão uma temperatura de cerca de 372 Kelvin. Aqui estão os dados da temperatura de transição vítrea versus a taxa de resfriamento para um filme de poliestireno de 110 nanômetros.

Esses mesmos dados são plotados com círculos pretos usando o log da taxa de resfriamento no eixo vertical esquerdo. O eixo horizontal é 1000 sobre a temperatura de transição, conforme sugerido por uma relação empírica. Para comparação, os quadrados vermelhos são a dinâmica em massa do poliestireno, conforme determinado por espectroscopia dielétrica.

Para esses dados, consulte o eixo direito do log do tempo de relaxamento alfa em massa e o eixo horizontal, 1000 acima da temperatura. Uma vez dominada, essa técnica levará cinco horas se executada corretamente. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de usar um modelo de material apropriado, para que você ajuste com precisão os valores de elipsometria para a espessura e o índice de refração do filme.

Tentei pela primeira vez esse método de estudar filmes finos de polímero no laboratório de James Forrest na Universidade de Waterloo. No entanto, com os recentes avanços na tecnologia de elipsometria, agora podemos usá-lo como um método de alto rendimento para estudar sistemas amplos, como filmes finos orgânicos e moléculas recém-sintetizadas. Após este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como fazer um filme fino de polímero e calcular a temperatura de transição vítrea, o coeficiente de expansão e a barreira de ativação aparente para o tempo de relaxamento próximo à transição vítrea.