Охлаждение скоростью, зависящей эллипсометрии измерений для определения динамики тонких пленок стеклообразных

Общая цель этой процедуры состоит в том, чтобы предоставить простой метод для быстрого и точного измерения температуры стеклования, кажущегося коэффициента расширения и средней динамики ультратонких стекловидных пленок. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области полимерного стекла, например, как динамика тонких пленок соотносится с динамикой объема. Основное преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет рассчитать температуру стеклования, кажущиеся коэффициенты активации и хрупкость полимерных ультратонких пленок в одном высокопроизводительном эксперименте.

Хотя приведенный здесь пример в основном сосредоточен на полимерных стеклах, этот метод может быть применен более широко для изучения свойств толстых и тонких пленок других типов стекол, таких как стекла на органических молекулах и нанокомпозиты. Начинайте готовить пленку за сутки до того, как она понадобится для измерения температуры стеклования. Подготовьте весы для точного взвешивания материалов для пленки.

В этом эксперименте для создания пленки будут использоваться полистирол и толуол. Начните с измерения 40 миллиграммов полистирола. Добавьте два грамма толуола, чтобы получить пленку толщиной примерно 100 нанометров.

После того, как раствор постоял ночь, используйте его для создания пленки. Переместите флакон в отжимную машину, которая находится в вытяжном шкафу. У вытяжного шкафа отложите раствор в сторону для последующего использования.

Кроме того, убедитесь, что толуол готов к использованию с прядильной машиной. Затем возьмите силиконовую пластину для создания пленки методом отжима. Кремниевая пластина для этого протокола имеет размер один сантиметр на один сантиметр.

Поместите пластину в машину для нанесения покрытий и вращайте ее со скоростью 8 000 об/мин в течение 45 секунд. По мере вращения пластины капайте на нее примерно один миллилитр толуола. Остановите отжимную машину после 45 секунд отжима.

Используйте приготовленный раствор полистирола и толуола и начинайте добавлять его по каплям на поверхность кремния. Остановитесь, когда вся поверхность будет покрыта. Прежде чем раствор высохнет, вращайте пластину со скоростью 4 000 об/мин в течение 20 секунд.

Остановите отжимную машину и снимите пластину, чтобы измерить толщину пленки. Определяют толщину пленки с помощью эллипсометра. Начните с того, что поместите пленку на предметный столик эллипсометра и закрепите ее.

Продолжайте проверку угла падения, времени захвата и других параметров. Затем начните сканирование. После сбора данных используйте программное обеспечение эллипсометра, чтобы подогнать эллипсометрические углы.

Используйте трехслойную модель. Первый слой – это подложка, в данном случае кремний. Второй слой, слой номер один, представляет собой нативный оксид.

Слой имеет толщину 1,5 нанометра. Третий слой, слой номер два, представляет собой модель Коши, соответствующую оптическим свойствам полистирольной пленки. Модель Коши для показателя преломления задается по этой формуле.

Лямбда — это длина волны, а A и B — константы, которые должны быть определены по данным. K равно нулю для прозрачного материала. Модель возвращает определение толщины пленки, в данном случае около 105 нанометров.

Снимите пластину с эллипсометра и перейдите к следующему шагу. Если пленка имеет нужную толщину, отнесите в вакуумную печь. Поместите в духовку и отжигайте ее в течение 15 часов при температуре 393 Кельвина.

Вернитесь к эллипсометру с отожженной пленкой. Отложите пленку в сторону на время подготовки этапа образца. Эллипсометр должен быть оснащен ступенью переменной температуры.

Используйте термопасту для покрытия поверхности его нагревательного элемента. Далее поместите отожженную полистирольную пленку на нагревательный элемент. Затем плотно зажмите его на место.

Запустите поток 100% сухого азота через температурную стадию. Обратитесь к компьютеру и программному обеспечению температурного уровня, чтобы создать температурный профиль. Этот рисунок дает представление о профиле температуры.

Температура находится вдоль вертикальной оси. Время идет по горизонтальной оси. Образец попеременно нагревают до 393 Кельвинов и охлаждают до 293 Кельвинов.

Градус нарастания температуры всегда составляет постоянные 150 Кельвинов в минуту, о чем свидетельствует постоянный крутой подъем. Понижение скорости меняется с каждым циклом. Он начинается быстро, затем замедляется, о чем свидетельствуют изменяющиеся наклоны вниз на рисунке.

Образец выдерживают в течение 20 минут после того, как он впервые достигнет 393 Кельвина. Все последующие периоды выдержки при температуре 393 Кельвина и 293 Кельвина составляют пять минут. Оставайтесь за компьютером, чтобы завершить настройку эксперимента.

Используйте программное обеспечение эллипсометра для создания температурно-зависимой модели эллипсометрии. Слой подложки представляет собой температурно-зависимую модель кремния. Слой номер один представляет собой 1,5-нанометровый слой нативного оксида.

Слой номер два, третий, – это модель Коши для полистирольной пленки. Работа с температурно-зависимыми настройками слоя кремния. Включите параметр "Использовать внешнюю температуру из журнала Parm", чтобы разрешить использование температуры температурного этапа.

Теперь перейдите к возможности редактирования конфигураций оборудования. Установите быстрое время сбора данных в одну секунду. Также выберите высокоточное усреднение по зонам.

Установите обычное время сбора данных равным трем секундам. Опять же, используйте высокоточное усреднение по зонам. Перейдите на вкладку «На месте» программного обеспечения эллипсометра.

Установите флажок "Режим быстрого захвата". Нажмите «Начать сбор», чтобы начать сбор данных. Контролируйте сбор данных по мере соблюдения температурного профиля.

Непосредственно перед рампой охлаждения в три Кельвина в минуту снимите флажок «Быстрое получение». Используйте измерения зависимости толщины от температуры для заданной рампы охлаждения для расчета температуры стеклования. В этом примере кривой область, выделенная красным цветом, соответствует переохлажденной жидкости.

Выделенный синим цветом регион соответствует стеклянному режиму. Точка, в которой пересекаются линейные аппроксимации этих областей, определяет температуру стеклования. Этот образец представляет собой 110-нанометровую полистирольную пленку 342 килограмма на моль полистирола.

Скорость охлаждения составляет 10 Кельвинов в минуту. Измерения с точностью до одного Кельвина в минуту дают температуру около 372 Кельвинов. Ниже приведены данные о зависимости температуры стеклования от скорости охлаждения 110-нанометровой пленки полистирола.

Эти же данные нанесены черными кругами с использованием логарифма скорости охлаждения на левой вертикальной оси. Горизонтальная ось находится на 1000 градусов над температурой перехода, как следует из эмпирического соотношения. Для сравнения, красные квадраты — это объемная динамика полистирола, определенная с помощью диэлектрической спектроскопии.

Для получения этих данных обратитесь к правой оси логарифма времени объемной альфа-релаксации и горизонтальной оси, 1000 над температурой. После освоения этой техники потребуется пять часов при правильном выполнении. При попытке выполнить эту процедуру важно помнить об использовании подходящей модели материала, чтобы точно подобрать значения эллипсотрии для толщины и показателя преломления пленки.

Впервые я попробовал этот метод изучения полимерных тонких пленок в лаборатории Джеймса Форреста в Университете Ватерлоо. Тем не менее, благодаря недавним достижениям в технологии эллипсометрии, мы теперь можем использовать этот метод в качестве высокопроизводительного метода для изучения широких систем, таких как органические тонкие пленки и недавно синтезированные молекулы. После просмотра этого видео вы должны хорошо понимать, как сделать полимерный тонкопленочный материал и рассчитать температуру стеклования, коэффициент расширения и видимый барьер активации для времени релаксации вблизи стеклования.