Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

दर निर्भर ellipsometry माप शीतलक पतला ग्लासी फिल्म्स की गतिशीलता निर्धारित करने के लिए

doi: 10.3791/53499 Published: January 26, 2016

Summary

यहाँ, हम बेजान सामग्री की एक किस्म के लिए दर कांच संक्रमण तापमान (टी जी) निर्धारित कर सकते हैं जो निर्भर ellipsometry प्रयोगों, औसत गतिशीलता, कमजोरी और सुपर ठंडा तरल का विस्तार गुणांक और गिलास ठंडा करने के लिए एक प्रोटोकॉल उपस्थित थे।

Abstract

इस रिपोर्ट को पूरी तरह से दर निर्भर टी जी (सीआर-टी जी) प्रयोगों ठंडा करने के लिए ellipsometry का उपयोग करने का प्रयोगात्मक तकनीक का वर्णन करने के लिए करना है। इन मापों कांच संक्रमण तापमान निर्धारित कर सकते हैं, जो सरल उच्च throughput लक्षण वर्णन प्रयोगों हैं (टी जी), औसत गतिशीलता, कमजोरी और बेजान सामग्री की एक किस्म के लिए सुपर-ठंडा तरल और बेजान राज्यों के विस्तार के गुणांक। इस तकनीक को अन्य तरीकों से इन गुणों के सभी जांच करने के लिए विभिन्न तकनीकों की एक किस्म गठबंधन करना चाहिए, जबकि इन मानकों, एक ही प्रयोग में मापा जा करने के लिए अनुमति देता है। गतिशीलता की माप टी जी के करीब विशेष रूप से चुनौती दे रहे हैं। सीधे थोक और सतह छूट गतिशीलता की जांच के जो अन्य तरीकों से अधिक दर निर्भर टी जी माप ठंडा करने का लाभ यह है कि वे fluorophores या अन्य जटिल पूर्व का उपयोग नहीं करते हैं, जो अपेक्षाकृत जल्दी और सरल प्रयोग कर रहे हैं वह यह है किperimental तकनीक। इसके अलावा, इस तकनीक कांच संक्रमण α> 100 सेकंड) के लिए प्रासंगिक तापमान और आराम के समय में तकनीकी रूप से प्रासंगिक पतली फिल्मों α) शासनों की औसत गतिशीलता जांच। दर निर्भर टी जी प्रयोगों ठंडा करने के लिए ellipsometry उपयोग करने के लिए सीमा α << 1 सेकंड) यह चिपचिपाहट की माप के लिए छूट बार प्रासंगिक जांच नहीं कर सकते हैं। अन्य ठंडा दर निर्भर टी जी माप तकनीक, हालांकि, तेजी से छूट बार करने के लिए सीआर-टी जी विधि का विस्तार कर सकते हैं। इसके अलावा, इस तकनीक को इतने लंबे समय तक फिल्म की अखंडता प्रयोग भर में रहता है के रूप में किसी भी बेजान प्रणाली के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Keddie जोन्स और कोरी 1 की मौलिक काम अति पतली पॉलीस्टीरिन फिल्मों के कांच संक्रमण तापमान (टी जी) 60 एनएम से कम मोटाई में थोक मूल्य के लिए सम्मान के साथ कम हो जाती है कि पता चला है। तब से कई प्रयोगात्मक अध्ययन 2-11 टी जी में मनाया कटौती इन फिल्मों की मुक्त सतह के पास बढ़ाया गतिशीलता की एक परत की वजह से कर रहे हैं कि परिकल्पना का समर्थन किया है। हालांकि, इन प्रयोगों के लिए एक एकल विश्राम का समय के अप्रत्यक्ष उपाय कर रहे हैं, और इस तरह औसत पतली फिल्म की गतिशीलता और हवा / बहुलक इंटरफेस में गतिशीलता के बीच सीधा संबंध पर केंद्रित एक बहस 12 से 18 है।

इस बहस का जवाब है, कई अध्ययनों से सीधे मुक्त सतह (τ सतह) की गतिशीलता मापा जाता है। Nanoparticle एम्बेड, 19,20 nanohole विश्राम, 21 और प्रतिदीप्ति 22 अध्ययन बताते हैं कि हवा / बहुलक इंटरफ़ेस जतेजी से τ α की तुलना में एक बहुत कमजोर तापमान निर्भरता के साथ थोक अल्फा विश्राम का समय α) की तुलना में परिमाण की गतिशीलता के आदेश के रूप में। क्योंकि इसकी कमजोर तापमान निर्भरता की, इन फिल्मों के τ सतह, पतली पॉलीस्टीरिन फिल्मों की 19-22 और बढ़ाया गतिशीलता, 23,24 ऊपर कुछ डिग्री है, जो एक एकल बिंदु टी *, पर α) थोक अल्फा छूट intersects टी जी, और ≈ 1 सेकंड की एक τ α पर। तेजी * से छूट बार जांच प्रयोगों जो अति पतली Polystyrene फिल्मों की टी जी पर किसी भी मोटाई निर्भरता देखने के लिए असफल क्यों टी * की उपस्थिति समझा सकता है। 13-18 अन्त में, जबकि यह है कि बढ़ाया मोबाइल परत शो के प्रत्यक्ष माप 4-8 एनएम की मोटाई, 20-22 हवा / बहुलक इंटरफेस में गतिशीलता का प्रचार लंबाई मोबाइल सतह लेय की मोटाई से भी बड़ा है कि सबूत नहीं हैआर। 5,25,26

इस रिपोर्ट को पूरी तरह से दर निर्भर टी जी (सीआर-टी जी) प्रयोगों ठंडा करने के लिए ellipsometry प्रयोग करने के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन करने के लिए करना है। सीआर-टी जी पहले से polystyrene के अति पतली फिल्मों की औसत गतिशीलता का वर्णन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। 23,24,27,28 इसके अलावा, इस तकनीक को हाल ही में इस्तेमाल किया गया था अति पतली पॉलीस्टीरिन फिल्मों में औसत गतिशीलता के बीच सीधा संबंध दिखाने के लिए मुक्त सतह पर, और गतिशीलता। 23 ऐसे प्रतिदीप्ति, nanoparticle एम्बेड, nanohole छूट, nanocalorimetry, अचालक स्पेक्ट्रोस्कोपी, और Brillouin प्रकाश बिखरने के रूप में माप के अन्य प्रकार के सीआर-टी जी माप का लाभ, अध्ययन से वे अपेक्षाकृत जल्दी कर रहे हैं वह यह है कि और सरल प्रयोगों fluorophores या अन्य जटिल प्रयोगात्मक तकनीक का उपयोग नहीं करते। स्पेक्ट्रोस्कोपी ellipsometry में हाल के अग्रिमों इस तकनीक का कुशलतापूर्वक ऑप्टिकल गुण निर्धारित करने के लिए इस्तेमाल करने की अनुमतिपॉलिमर और असाधारण सटीकता के साथ संकर सामग्री के अन्य प्रकार के अति पतली फिल्मों की एँ। जैसे, इस तकनीक कांच संक्रमण (टी ≤ टी जी, τ α ≥ 100 सेकंड) के लिए प्रासंगिक तापमान और समय व्यवस्थाओं में तकनीकी रूप से लागू पतली फिल्मों की औसत गतिशीलता जांच। इसके अलावा, इस तकनीक बेजान का विस्तार गुणांक के बारे में जानकारी प्रदान करेगा और रात का खाना तरल राज्यों के साथ ही फिर थोक फिल्मों के लिए डेटा के साथ तुलना की जा सकती प्रणाली है, जो की कमजोरी ठंडा। अन्त में, CR- टी जी प्रयोगों इतने लंबे समय तक फिल्म की अखंडता प्रयोग भर में रहता है के रूप में किसी भी बेजान प्रणाली के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. फिल्म तैयारी

  1. Polystyrene से 0.04 ग्राम वजन है, और एक 30 मिलीलीटर की शीशी में रख दें।
  2. शीशी में टोल्यूनि के 2 जी वजन। टोल्यूनि में polystyrene के वजन के समाधान से एक 2% लगभग 100 एनएम की एक फिल्म अर्जित करता है।
  3. समाधान एसआईटी हे / एन पूरी तरह पॉलीस्टीरिन भंग करने और समाधान के लिए व्यवस्थित करने के लिए करते हैं।
  4. एक स्पिन coater पर एक 1 सेमी एक्स 1 सेमी सिलिकॉन (सी) वेफर रखें।
  5. 45 सेकंड के लिए 8000 rpm पर वेफर स्पिन। यह घूम रहा है, वहीं कताई वेफर पर टोल्यूनि के लगभग 1 मिलीलीटर ड्रॉप।
    नोट: स्पिन कोटिंग से जुड़े सभी कदम एक धूआं हुड में प्रदर्शन कर रहे हैं।
  6. सी वफ़र की पूरी सतह कवर किया जाता है जब तक अब स्थिर सी वेफर पर, सी वफ़र पर 1.3 बूंद के लिहाज से कदम से समाधान जोड़ें।
  7. समाधान वेफर पर सूख जाता है इससे पहले, 20 सेकंड के लिए 4,000 rpm पर सी वफ़र स्पिन।
  8. Ellipsometry का उपयोग कर फिल्म की मोटाई निर्धारित (चरण 2 देखें)।
  9. फिल्म इच्छित मोटाई, ऐन है15 घंटे के लिए 393 कश्मीर में एक वैक्यूम ओवन में फिल्म eal।

2. फिल्म मोटाई का निर्धारण

  1. Ellipsometer मंच पर काता डाली फिल्म प्लेस और एक 1 सेकंड अधिग्रहण समय और क्षेत्र के औसत की स्थापना के साथ 70 डिग्री की एक घटना प्रकाश कोण पर ellipsometric कोणों Ψ (λ) और Δ (λ) चालू उपाय।
  2. Ellipsometer सॉफ्टवेयर का उपयोग करना, निर्माता प्रोटोकॉल के अनुसार एक तीन परत मॉडल के परिणामस्वरूप Ψ (λ) और Δ (λ) के आंकड़ों से फिट है। कोई अतिरिक्त उपयोगकर्ता आदानों रहे हैं। पहली परत सी का एक सब्सट्रेट परत है, (एन = एक बी / λ 2, कश्मीर = 0 +), जो मेल खाती है दूसरी परत 1.5 एनएम की मोटाई के साथ एक देशी ऑक्साइड परत है, और तीसरी परत एक कॉची मॉडल है polystyrene फिल्म के ऑप्टिकल गुणों के लिए। इस मॉडल में, ए और बी फिट मापदंडों के हैं, और एन और कश्मीर क्रमश: अपवर्तन के सूचकांक के वास्तविक और काल्पनिक घटक हैं।
  3. कॉची परत के लिए, टी फिटhickness और और बी मानकों को फिल्म 10 एनएम से ऊपर है। फिल्म 10 एनएम से नीचे है, तो केवल एक फिट।
    नोट: इस प्रतिनिधि परिणाम अनुभाग में आगे चर्चा की जाएगी।

3. ठंडा दर निर्भर टी जी माप

  1. कोट थर्मल पेस्ट के साथ चर तापमान ellipsometer चरण के ताप तत्व की सतह।
  2. हीटिंग तत्व पर annealed polystyrene फिल्म रखें।
  3. हीटिंग तत्व पर कसकर फिल्म दबाना।
  4. <69 केपीए के दबाव में तापमान मंच के माध्यम से 100% सूखी नाइट्रोजन गैस का प्रवाह।
  5. तापमान मंच सॉफ्टवेयर का उपयोग करना, एक तापमान प्रोफाइल बना सकते हैं। इस तापमान प्रोफ़ाइल 150 कश्मीर / मिनट पर 393 कश्मीर के लिए एक हीटिंग रैंप के साथ शुरू होता है। 20 मिनट के लिए 393K पर फिल्म पकड़ो।
    1. फिर, की दर पर 293 कश्मीर के लिए वैकल्पिक ठंडा रैंप 150, 120, 90, 60, 30, 10, 7, 150 कश्मीर / मिनट पर 393 कश्मीर के लिए हीटिंग रैंप के साथ 3, और एक कश्मीर / मिनट। एक 5 मिनट Tempe रखेंप्रत्येक रैंप के बाद rature पकड़।
  6. Ellipsometer सॉफ्टवेयर में, सब्सट्रेट एक तापमान निर्भर सी मॉडल में बदल जाता है, सिवाय इसके कि सभी तीन परतों, वही कर रहे हैं धारा 2 में है कि एक तापमान निर्भर ellipsometry मॉडल समान हैं।
  7. तापमान निर्भर सी मॉडल के लिए परत में, पैरामीटर "parm लॉग से उपयोग एक्सटेंशन अस्थायी" पर बारी।
  8. प्रयोगशाला उपकरणों को नियंत्रित करने के लिए सॉफ्टवेयर का उपयोग करना, ellipsometer सॉफ्टवेयर तापमान मंच से तापमान मूल्यों को पढ़ने के लिए है।
  9. संकेत अधिकतम तीव्रता तक पहुँच जाता है कि इस तरह के ellipsometer संरेखित करें।
  10. "संपादन हार्डवेयर विन्यास" के अंतर्गत, उच्च सटीकता क्षेत्र औसत के साथ 1 सेकंड के लिए तेजी से अधिग्रहण समय निर्धारित किया है। उच्च सटीकता क्षेत्र औसत के साथ 3 सेकंड के लिए सामान्य अधिग्रहण समय निर्धारित करें।
  11. Ellipsometer सॉफ्टवेयर में "बगल में" टैब के अंतर्गत "तेजी से अधिग्रहण समय मोड" बॉक्स, और प्रेस "शुरू अधिग्रहण" की जाँच करें। फिर, शुरूतापमान प्रोफ़ाइल। 3 कश्मीर / मिनट ठंडा रैंप से पहले, तेजी से अधिग्रहण समय बॉक्स अचयनित।

4. टी जी के मूल्यों को निर्धारित

  1. वरीय रेखांकन और विश्लेषण सॉफ्टवेयर में तापमान और मोटाई प्रोफाइल निर्यात, और सभी 9 ठंडा दरों के लिए तापमान और मोटाई डेटा अलग।
  2. , तापमान पर अधिग्रहण के दौरान क्षेत्र के औसत के प्रभाव के लिए खाते में हर तापमान मान ले, और टी = / 2, जहां टी मैं (टी मैं I-1 टी +) ऐसा है कि, यह पूर्ववर्ती तापमान मूल्य के साथ यह औसत करने के लिए आदेश में एक तापमान एक निश्चित समय पर मूल्य, और टी I-1 पूर्ववर्ती समय बिंदु के तापमान है।
  3. प्रत्येक ठंडा दर के लिए तापमान बनाम प्लॉट मोटाई।
  4. सुपर तरल ठंडा शासन के एक हिस्से पर एक रेखीय फिट (बड़ा विस्तार गुणांक के साथ उच्च तापमान शासन) को पूरा करें। यह शासन 393 कश्मीर से 380 लालकृष्ण करने के लिए लगभग होगी
  5. Perfoडेटा की है कि एक ही सेट का बेजान शासन के एक हिस्से पर एक रेखीय फिट आरएम। यह व्यवस्था एक निचली विस्तार गुणांक है, और 293 कश्मीर से 340 को लगभग लालकृष्ण होगी
  6. इन दो लाइनों के चौराहे बिंदु का पता लगाएं। इन लाइनों काटना जहां तापमान कांच संक्रमण तापमान है।
  7. सभी नौ रैंप के लिए यह करो।

5. औसत पतला फिल्मी गतिशीलता का विश्लेषण

  1. एक दिया फिल्म मोटाई भूखंड प्रवेश (ठंडा दर (कश्मीर / मिनट)) बनाम 1 / टी जी (कश्मीर -1) के लिए।
  2. अनुभवजन्य संबंध द्वारा थोक और सतह गतिशीलता की माप को निर्देशित करने के लिए परोक्ष रूप से इस की तुलना करें: ठंडा दर * τ α = 1000 23,24

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

फिटिंग कच्चे ellipsometry डेटा

Polystyrene फिल्मों ellipsometer (500-1,600 एनएम) के तरंगदैर्ध्य रेंज में पारदर्शी हैं। इस प्रकार एक कॉची मॉडल पॉलीस्टीरिन फिल्मों के अपवर्तन के सूचकांक वर्णन करने के लिए एक अच्छा मॉडल है। चित्रा 1 ए polystyrene के एक मोटी (274 एनएम) फिल्म है, और जिसके परिणामस्वरूप फिट करने के लिए Ψ (λ) और Δ (λ) का एक उदाहरण से पता चलता है कॉची मॉडल 1 समीकरण । फिल्मों के लिए मोटा से 10 एनएम, कॉची समीकरण के और बी मानकों को दोनों सही ढंग से अपवर्तन के सूचकांक की तरंग दैर्ध्य निर्भरता मॉडल के लिए फिट होना चाहिए। एन λ, तरंग दैर्ध्य की एक कम समारोह है जब कॉची मॉडल केवल शारीरिक है। चित्रा 1 बी एन और का हमेशा कम हो रही मूल्य द्वारा स्पष्ट रूप में एक भौतिक सूचकांक का एक उदाहरण दिखाता <उन्हें> कश्मीर = 0। 10 एनएम की तुलना में पतली फिल्मों के लिए, प्रकाश के छोटे पथ लंबाई कॉची समीकरण में केवल एक पैरामीटर फिट होना चाहिए मतलब है। इन बेहद पतली फिल्मों में, एक खुली फिट पैरामीटर के रूप में बी होने Ψ (λ) और Δ (λ) के 'फिट' है, भले ही एक unphysical सूचकांक को ellipsometry फिट ड्राइव कर सकते हैं (एमएसई) एक छोटा सा मतलब त्रुटि चुकता है। इस तरह के एक उदाहरण चित्रा 2 में देखा जा सकता है। कुछ सामग्री के लिए यह कॉची मॉडल में उच्च आदेश शर्तों फिट है या सही रूप में ऑप्टिकल गुण फिट करने के क्रम में एक और अधिक परिष्कृत ऑप्टिकल मॉडल का उपयोग करने के लिए आवश्यक हो सकता है।

आकृति 1
चित्रा 1. शारीरिक ellipsometry फ़िट। (ए) Ψ (λ) (लाल ठोस लाइन) और Δ (λ) polystyrene से एक 110 एनएम फिल्म की (हरी ठोस लाइन), का एक उदाहरण है और जिसके परिणामस्वरूप फिट (काला लाइन धराशायी)। (बी यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2. Unphysical ellipsometry फ़िट। (ए) Ψ (λ) (लाल ठोस लाइन) और Δ (λ) polystyrene से एक 8 एनएम फिल्म की (हरी ठोस लाइन), का एक उदाहरण है और जिसके परिणामस्वरूप फिट (काला लाइन धराशायी)। भाग ए में फिट द्वारा उत्पादित (बी) unphysical सूचकांक N (लाल रेखा) और कश्मीर (नीली रेखा) का एक उदाहरण यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

फिटिंग ठंडा दर निर्भर टी जी प्रयोगों

तापमान प्रोफ़ाइल भर में एक फिल्म की मोटाई ढाले है, यह तापमान के साथ बदल जाएगा polystyrene फिल्म और विस्तार होगा सी वफ़र सब्सट्रेट, और उनके ऑप्टिकल गुण दोनों को याद करने के लिए महत्वपूर्ण है। इस प्रकार, सटीक विस्तार गुणांक की गणना करने के लिए, सी सब्सट्रेट के सूचकांक सी के ऑप्टिकल गुणों में परिवर्तन के लिए खाते में एक तापमान निर्भर मॉडल के साथ फिट किया जाना चाहिए। एक आसान तरीका है कि मॉडल का तापमान निर्भरता एक फिट करने के लिए। सी सब्सट्रेट सही ढंग से मॉडलिंग की फ़िट है एमएसई तापमान के साथ काफी बदलाव देखने के लिए अगर है, तो देखने के लिए जाँच 3 ए मोटाई, तापमान का एक उदाहरण से पता चलता है, और एमएसई प्रोफ़ाइल की सही ढंग से सी के सूचकांक, सही ढंग से नहीं करता है कि फिट सी के ऑप्टिकल गुणों में परिवर्तन के लिए खाते में जब चित्रा 3 बी एक ही प्रोफाइल से पता चलता है, जबकिसब्सट्रेट। चित्रा 3 बी में एमएसई मूल्यों तापमान के साथ काफी भिन्नता है कि नोटिस। चित्रा 3 ए में एमएसई कमी 3 सेकंड के लिए एक सेकंड के एक अधिग्रहण समय से स्विच के कारण है।

चित्र तीन
चित्रा 3. ठंडा दर टी जी प्रोफाइल। (ए) एक 110 एनएम polystyrene फिल्म पर एक भी सीआर-टी जी के प्रयोग के लिए एक विशिष्ट तापमान, मोटाई, और एमएसई प्रोफ़ाइल का एक उदाहरण है सही ढंग से सी सब्सट्रेट के तापमान पर निर्भर सूचकांक के लिए लेखांकन जब । (बी) गलत तरीके से सी सब्सट्रेट के तापमान पर निर्भर सूचकांक के लिए लेखांकन जब एक ही फिल्म पर एक भी सीआर-टी जी के प्रयोग के लिए एक विशिष्ट तापमान, मोटाई, और एमएसई प्रोफ़ाइल का एक उदाहरण है। देखने के लिए यहां क्लिक करेंयह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण।

टी जी बताए

टी जी एक दिया ठंडा रैंप के लिए तापमान साजिश बनाम एक मोटाई से गणना की जा सकती है। 4 तरह के एक वक्र का एक उदाहरण से पता चलता है। टी जी एक शीतल तरल ठंडा करने पर संतुलन से बाहर हो जाता है, जहां तापमान के रूप में परिभाषित किया गया है। इन ellipsometry प्रयोगों में, टी जी। रेखीय शीतल तरल और बेजान शासनों एक दूसरे को काटना फिट बैठता है, जिस पर तापमान के रूप में परिभाषित किया गया है क्रमशः, लाल और नीले रंग के रूप में 4 प्रकाश डाला इन व्यवस्थाओं चित्रा। इन व्यवस्थाओं यदि उपलब्ध गणना की विस्तार गुणांक, पिछले थोक माप के साथ सहमत हैं कि इस तरह से चुना जाना चाहिए। इस विधि को कृत्रिम रूप से उच्च या कम गुणांक विस्तार करने के लिए ले जा सकता है, जो चयन प्रक्रिया से आत्मीयता को समाप्त होगाएस, और टी जी की इसलिए कम सटीक उपाय। इसके अतिरिक्त, विस्तार गुणांक फिल्म मोटाई और विस्तार गुणांक के थोक मूल्यों उपलब्ध नहीं हैं जिन मामलों में मार्गदर्शन प्रदान कर सकते हैं, जो ठंडा दर से स्वतंत्र होना चाहिए। विस्तार गुणांक फिल्म मोटाई से दो शासनों की ढलानों विभाजित करके गणना की जा सकती है। टी जी का निर्धारण करने के लिए इस विधि का प्रयोग, polystyrene से एक 110 एनएम फिल्म के लिए टी जी 10 कश्मीर / मिनट पर 372 ± 2 कश्मीर हो मापा, और रात का खाना ठंडा तरल और कांच के विस्तार गुणांक 5.7 एक्स 10 -4 रहे है ± 3 एक्स 10 -5 कश्मीर -1 और 1.5 x 10 -4 ± 3 एक्स 10 -5 पहले से निर्धारित मूल्यों के साथ अच्छी तरह से सहमत हैं। टी जी के मूल्यों पर 29 त्रुटियों क्रमश कश्मीर -1, और विस्तार गुणांक हैं सुपर ठंडा और बेजान व्यवस्थाओं के लिए चयनित क्षेत्रों में उचित परिवर्तन का एक परिणाम है।

: रख-together.within-पेज = "1"> चित्रा 4
चित्रा 4 टी जी बताए। 10 कश्मीर / मिनट की एक ठंडा दर पर 342 किलो / मोल पी एस के एक 110 एनएम फिल्म के लिए तापमान बनाम मोटाई का एक विशिष्ट साजिश है। वक्र के छायांकित भागों सुपर ठंडा तरल (लाल) और टी जी बताए के प्रयोजनों के लिए चुना बेजान (नीला) व्यवस्थाओं का प्रतिनिधित्व करते हैं। टी जी दो रेखीय फिट बैठता है एक दूसरे को काटना, जिस पर तापमान के रूप में परिभाषित किया गया है। इस विधि का प्रयोग, polystyrene से एक 110 एनएम फिल्म के लिए टी जी 1 कश्मीर / मिनट और रात का खाना ठंडा तरल का विस्तार गुणांक और कांच पर 372 ± 2 कश्मीर हो मापा जाता है एक्स 10 -4 ± 3 5.7 एक्स - 10 5 कश्मीर -1 और 1.5 x 10 x -5 कश्मीर -1 10 -4 ± 3, क्रमशः। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

1 "> का विश्लेषण औसत फिल्म गतिशीलता:" रख-together.within-पेज = के लिए "ve_content

ठंडा दर निर्भर टी जी डेटा, औसत विश्राम का समय 100 सेकंड के बराबर है जब 10 कश्मीर / मिनट की एक ठंडा दर पर, प्रणाली संतुलन से बाहर हो जाता है कि अनुभवजन्य संबंध के माध्यम से टी जी पर औसत विश्राम का समय से संबंधित हो सकते हैं यानी, ठंडा दर एक्स τ α चित्रा 5 ए में डेटा के लिए इस संबंध को लागू करना 1000 में 24, लॉग (ठंडा दर) बनाम 1 / टी जी (चित्रा 5 ब) के एक भूखंड इस संबंध के लिए है कैसे सही मूल्यांकन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता ≈ polystyrene, और कितनी अच्छी तरह सीआर-टी जी विधि एक मोटी फिल्म के लिए थोक गतिशीलता का वर्णन है। अचालक स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से निर्धारित रूप में चित्रा 5 ब में रेड डाटा polystyrene के थोक गतिशीलता हैं। 16 जबकि ठंडा दर एक्स τ α ≈ 1000 रिलायंस एनर्जीव्यावहारिक विशुद्ध रूप से अनुभवजन्य है, और थोड़ा थोक गतिशीलता का निर्धारण किया जाता प्रयोगात्मक तकनीक, या जांच की जा रही पूर्व विशेष कांच के आधार पर बदल सकता है, 30,31 चित्रा 5 ब polystyrene से एक 110 एनएम फिल्म के लिए ठंडा दर निर्भर टी जी डेटा बात से सहमत हैं कि पता चलता है अच्छी तरह से इस डेटा के साथ। यह आंकड़ा भी सीआर-टी जी आमतौर पर अचालक छूट माप से सुलभ नहीं हैं, जो कम तापमान माप के dynamical रेंज का विस्तार करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है दिखाता है। इसके अलावा, प्रवेश (सीआर) बनाम 1 / टी जी डेटा की एक रेखीय फिट की ढलान कांच संक्रमण के सक्रियण ऊर्जा से संबंधित है। इस सक्रियण ऊर्जा संबंध द्वारा टी जी पर बेजान फिल्म की कमजोरी (एम) से संबंधित है;

2 समीकरण

दूसरे कार्यकाल केवल सही मैं हैच डेटा के लिए एक अर्हनीस फिट एक सन्निकटन के रूप में प्रयोग किया जाता है। इस विधि का प्रयोग, एक 110 एनएम पुनश्च फिल्म के लिए कमजोरी यह मान गतिशील स्कैनिंग उष्मामिति माप से साहित्य (150) में थोक polystyrene के लिए सूचना दी मूल्यों के साथ अच्छे समझौते में है 162 ± 21 हो मापा जाता है। 32

चित्रा 5
चित्रा 5. सीआर-टी जी प्रयोगों के माध्यम से औसत फिल्म गतिशीलता का विश्लेषण। (ए) टी जी बनाम की एक साजिश Polystyrene से एक 110 एनएम फिल्म के लिए ठंडा दर। लॉग इन (ठंडा दर) बनाम एक ही फिल्म (काले हलकों) के लिए 1000 / टी जी (बी) प्लॉट। एक्स τ = 1000, 110 एनएम पुनश्च पर एक सीआर-टी जी प्रयोग के परिणाम n के साथ अचालक छूट 16 का उपयोग पी एस के थोक गतिशीलता का सीधा उपाय है, साथ साजिश रची है रिश्ता (ठंडा दर) के साथओ आगे कारकों (लाल खुला वर्गों) स्थानांतरण। लाल धराशायी लाइन एक Volgel Fulcher Tammann समीकरण है 3 समीकरण संदर्भ 16. फिट मापदंडों = 10 12 0 τ रहे हैं परिणामी, बी = 13,300 कश्मीर से अचालक छूट डेटा के लिए फिट है, और टी 0 = 332 लालकृष्ण एक ब्लू स्टार के रूप में यहाँ साजिश रची है रेफरी 23 से टी * के लिए मूल्य। भूखंड से, कमजोरी 162 ± 21. यह मान साहित्य (150) में पहले से सूचना दी मूल्यों के साथ अच्छे समझौते में है। 32 हो मापा जाता है यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

कूलिंग-दर निर्भर टी जी माप टी जी, कांच और सुपर ठंडा तरल, औसत गतिशीलता का तापमान निर्भरता का विस्तार गुणांक, और एक में एक विशेष बेजान सामग्री की कमजोरी निर्धारित कर सकते हैं कि उच्च लक्षण वर्णन प्रयोगों हैं ही प्रयोग। वे fluorophores या अन्य जटिल प्रयोगात्मक तकनीक का उपयोग नहीं करते, क्योंकि इसके अलावा, प्रतिदीप्ति, embedding, या nanohole छूट प्रयोगों के विपरीत, सीआर-टी जी प्रयोगों अपेक्षाकृत जल्दी और सरल हैं। कारण ellipsometry की संवेदनशीलता के कारण, इस विधि इतने लंबे समय फिटिंग प्रक्रिया सही है, के रूप में कुछ नैनोमीटर के रूप में पतली और कुछ माइक्रोन के रूप में मोटी मोटाई की फिल्मों पर इस्तेमाल किया जा सकता है। इस तापमान निर्भरता और औसत गतिशीलता और कमजोरी की मोटाई निर्भरता दोनों की त्वरित और आसान विश्लेषण के लिए अनुमति देता है।

वें, सफलतापूर्वक इन मापन प्रदर्शन करने के लिएअरे अतिरिक्त ध्यान रखा जाना चाहिए, जहां कुछ महत्वपूर्ण कदम उठाए हैं। यह ellipsometry फिट सही होना आवश्यक है। पहले बताया गया है, यह सी सब्सट्रेट के ऑप्टिकल गुणों का तापमान निर्भरता ध्यान में रखा जाना है कि महत्वपूर्ण है। यह करने में नाकाम रहने के टी जी की गलत मूल्यों और विस्तार गुणांक की गलत मूल्यों के लिए ले जा सकता है। इसके अलावा, यह हीटिंग तत्व को मजबूती से फिल्म शिकंजा कसने के लिए महत्वपूर्ण है। यह सही ढंग से तेजी दरों पर टी जी मूल्यों को परिभाषित करने के लिए जरूरी है, जो अच्छा थर्मल से संपर्क करें, यह सुनिश्चित करने में मदद करता है। टी जी के मूल्यों बताए अंत में, जब चुना शीतल तरल और बेजान शासनों कांच संक्रमण खुद को शामिल नहीं करना चाहिए। कांच संक्रमण तापमान डेटा बनाम मोटाई की ढलान शीतल तरल और बेजान शासनों के बीच से बदल रहा है, जहां संक्रमण के हिस्से के रूप में परिभाषित किया गया है। या तो रेखीय फिट में ढलान में इस परिवर्तन सहित कृत्रिम रूप से टी जी की गणना मूल्य बदल जाएगा।चयन प्रक्रिया से आत्मीयता को दूर करने के लिए, सूचना मूल्यों के साथ सहमत हैं कि विस्तार गुणांक का उत्पादन जो सुपर ठंडा तरल और बेजान शासनों चुनें।

इस प्रोटोकॉल का एक अन्य लाभ यह है कि किसी भी कांच-पूर्व के विश्लेषण के लिए अनुमति देने के लिए संशोधन किया जा सकता है। जरूरत है कि इस प्रोटोकॉल के ही पहलू तापमान प्रोफ़ाइल है पूर्व एक अलग कांच की गतिशीलता का परीक्षण करने के लिए संशोधित किया जाना है। जब तक पूर्व कांच के थोक टी जी में जाना जाता है, के रूप में अधिकतम और न्यूनतम तापमान फिल्म एक गिलास संक्रमण से होकर गुजरती है कि यह सुनिश्चित करने के लिए बदला जा सकता है, लेकिन यह भी नीचा दिखाना नहीं है। अधिकतम तापमान लगभग टी जी + 20 कश्मीर होना चाहिए, और न्यूनतम तापमान होना चाहिए कम से कम टी जी - 40 लालकृष्ण इसके अलावा, चुना ठंडा दरों बहुलक फिल्म का एक विशेष प्रकार के लिए ब्याज की अन्य समय तराजू की जांच के लिए अलग किया जा सकता है।

अपने फायदे के बावजूद, इस तकनीक के लिए सीमाएं हैं।इस तकनीक को परोक्ष रूप से प्रयोग के ठंडा दर के माध्यम से एक औसत विश्राम का समय जांच, क्योंकि समय जांच तापमान नियंत्रण की विधि द्वारा उपलब्ध अधिकतम ठंडा दर करने के लिए सीमित कर रहे हैं कि इस विधि को मापता है। यहाँ प्रस्तुत ellipsometry प्रक्रिया के लिए सबसे तेजी से उपलब्ध ठंडा दर τ = 6.66 सेकंड की एक विश्राम का समय से संबंधित है, जो 150 कश्मीर / मिनट है। इस समय के पैमाने कांच संक्रमण के लिए प्रासंगिक होने के लिए काफी धीमी है, यह समय बहुलक पिघला देता है की चिपचिपाहट के लिए प्रासंगिक है कि तराजू बहुत धीमी है। ऐसे समय आमतौर पर rheology या अचालक स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से निर्धारित होते हैं, तराजू, लेकिन ठंडा दर काफी तेज है, तो सीआर-टी जी माप इन समय तराजू की जांच कर सकते हैं। यह आसानी से nanocalorimetry या फ्लैश डीएससी का प्रयोग कर प्राप्त किया जा सकता है। 33,34

सामग्री के कई अलग अलग प्रकार के परीक्षण किया जा करने के लिए है, क्योंकि इस तकनीक के उच्च throughput प्रकृति के कारण, यह अनुमति देता है। इस रिपोर्ट सीआर-टी जी पर ध्यान केंद्रित करते हुएपॉलीस्टीरिन फिल्मों के प्रयोगों, यह एक ही विधि आसानी से जैविक इलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकियों में इस्तेमाल छोटे कार्बनिक अणुओं को लंबी श्रृंखला पॉलिमर से बेजान सामग्री की एक श्रृंखला के लिए लागू किया जा सकता है। जब तक फिल्म की अखंडता को प्रयोग के माध्यम से रखती है, के रूप में तापमान निर्भरता और औसत गतिशीलता और कमजोरी की मोटाई निर्भरता निर्धारित किया जा सकता है।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

लेखकों के लिए इस तकनीक के लिए प्रारंभिक विचार में मदद के लिए जेम्स ए फॉरेस्ट को स्वीकार करना होगा। 26 इस काम के पेन्सिलवेनिया विश्वविद्यालय से धन के द्वारा समर्थित किया गया था और आंशिक रूप से कोई पुरस्कार के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन के MRSEC कार्यक्रम के द्वारा समर्थित किया गया। डीएमआर-11 पेन्सिलवेनिया विश्वविद्यालय में 20901।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Toluene Sigma Aldrich 179418-1L This can be purchased from any chemical company.
Atactic Polystyrene Polymer Source Inc. P-4092-S This can be purchased from any chemical company.
THMS 600 temperature stage Linkam THMS 600 any temperature stage that can be fit to an ellipsometer could be used.
M2000V Spectroscopic Ellipsometer J.A. Woollam M200V This procedure should be applicable for any spectroscopic ellipsometer.
Spin Coater Laurell Technologies WS-650-23B This Procedure is possible with any spin coater
Sample vials Fisher Scientific 02-912-379 Any sample vials will do
Silicon wafers Virginia semi conductors 325S1410694D

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Cite this Article

Glor, E. C., Fakhraai, Z. Cooling Rate Dependent Ellipsometry Measurements to Determine the Dynamics of Thin Glassy Films. J. Vis. Exp. (107), e53499, doi:10.3791/53499 (2016).More

Glor, E. C., Fakhraai, Z. Cooling Rate Dependent Ellipsometry Measurements to Determine the Dynamics of Thin Glassy Films. J. Vis. Exp. (107), e53499, doi:10.3791/53499 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter