Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Kylningshastighet Beroende ellipsometri Mätningar som Bestäm Dynamisk av tunna glas- Films

Published: January 26, 2016 doi: 10.3791/53499
Automatic Translation
1, 1
1Department of Chemistry, University of Pennsylvania

Summary

Här presenterar vi ett protokoll för att kyla ränta beroende ellipsometri experiment, som kan avgöra glastemperaturen (Tg), genomsnittliga dynamik, bräcklighet och utvidgningskoefficient av super kyld vätska och glas för en mängd olika glasartade material.

Abstract

Rapporten syftar till att fullständigt beskriva den experimentella tekniken att använda ellipsometri för kylning ränta beroende Tg (CR-T g) experiment. Dessa mätningar är enkla hög genomströmning karakteriseringsexperiment som kan bestämma glasövergångstemperaturen (Tg), genomsnittliga dynamik, bräcklighet och expansionskoefficienten hos de superkylda flytande och glasartade tillstånd för en mängd olika glasartade material. Denna teknik medger för dessa parametrar som skall mätas i ett enda experiment, medan andra metoder måste kombinera en mängd olika tekniker för att undersöka alla dessa egenskaper. Mätningar av dynamik nära till Tg är särskilt utmanande. Fördelen med kylhastighet beroende Tg mätningar över andra metoder som direkt sond bulk- och ytan relaxadynamik är att de är relativt snabba och enkla experiment, vilka inte utnyttjar fluoroforer eller andra komplicerade experimental tekniker. Vidare sonder denna teknik de genomsnittliga dynamiken i tekniskt relevanta tunna filmer i temperatur och relaxationstid (τ α) regimer som är relevanta för glasövergångs (τ α> 100 sek). Begränsningen till användning ellipsometri för kylningshastighet beroende Tg experiment är att det inte kan sondera relaxationstider som är relevanta för mätningar av viskositeten (τ α << 1 sek). Andra kylningshastighet g mättekniker beroende T kan emellertid förlänga CR-Tg-metoden till snabbare relaxationstider. Vidare kan denna teknik användas för något glasartat systemet så länge som integriteten hos filmen förblir under hela experimentet.

Introduction

Den banbrytande arbete av Keddie Jones och Corey 1 visade att glasövergångstemperaturen (Tg) för ultratunna polystyrenfilmer minskar med avseende på bulkvärdet vid tjocklekar lägre än 60 nm. Ända sedan dess har många experimentella studier 2-11 stödde hypotesen att de observerade minskningarna i Tg orsakas av ett skikt av ökad rörlighet nära den fria ytan av dessa filmer. Men dessa försök är indirekta mått på en enda avkoppling tid, och därför finns det en debatt 12- 18 centrerad på ett direkt samband mellan de genomsnittliga tunnfilms dynamik och dynamiken på luft / polymergränsytan.

För att besvara denna debatt har många studier direkt mätt dynamiken i den fria ytan (τ yta). Nanopartiklar inbäddning, 19,20 nanohole avkoppling, 21 och fluorescens 22 studier visar att luft / polymergränssnitt hsom dynamik storleksordningar snabbare än bulk alfa relaxationstiden (τ α) med en mycket svagare temperaturberoende än för τ α. På grund av sitt beroende svag temperatur, τ ytan av dessa filmer, 19-22 och förbättrade dynamiken i tunna polystyrenfilmer, 23,24 skär bulk alfa avkoppling (τ α) vid en enda punkt T *, som är några grader över Tg, och vid en τ α av ≈ 1 sek. Närvaron av T * kan förklara varför experiment som sond avkoppling gånger snabbare än * inte se någon tjocklek beroende på Tg av ultratunna polystyrenfilmer. 13-18 Slutligen, medan direkta mätningar av den förbättrade mobil lagret visar att den har en tjocklek av 4-8 nm, 20 till 22 det finns bevis att utbredningslängd dynamiken vid luft / polymergränsytan är mycket större än tjockleken hos den mobila ytan layer. 5,25,26

Rapporten syftar till att fullständigt beskriva ett protokoll för att använda ellipsometri för kylning ränta beroende Tg (CR-T g) experiment. CR-Tg har tidigare använts för att beskriva de genomsnittliga dynamiken i ultratunna filmer av polystyren. 23,24,27,28 Vidare Denna teknik nyligen använts för att visa en direkt korrelation mellan den genomsnittliga dynamiken i ultratunna polystyrenfilmer och dynamiken på den fria ytan. 23 Fördelen med CR-T g mätningar över andra typer av mätningar, såsom fluorescens, nanopartikel inbäddning, nanohole avkoppling, nanocalorimetry, dielektrisk spektroskopi och Brillouin ljusspridning, är studier att de är relativt snabb och enkla experiment som inte använder fluoroforer eller andra komplicerade experimentella tekniker. Senaste framstegen inom spektroskopisk ellipsometri tillåter denna teknik för att användas för att effektivt bestämma den optiska properttalet av ultra-tunna filmer av polymerer och andra typer av hybridmaterial med exceptionell precision. Som sådan sonderar denna teknik de genomsnittliga dynamiken i tekniskt tillämpliga tunna filmer i temperatur- och tids regimer som är relevanta för glasövergångs (T ≤ Tg, τ α ≥ 100 sek). Dessutom kommer denna teknik ger information om expansionskoefficienterna för glasartade och kvällsmat kylda vätske stater samt bräcklighet systemet, som sedan kan jämföras med data för bulk filmer. Slutligen kan CR Tg experiment användas för något glasartat systemet så länge som integriteten hos filmen förblir under hela experimentet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Film Framställning

  1. Väg 0,04 g polystyren, och placera i en 30 ml flaska.
  2. Väg 2 g toluen i flaskan. En 2 vikt% lösning av polystyren i toluen ger en film av cirka 100 nm.
  3. Låt lösningen stå O / N för att fullständigt lösa upp polystyren och låta lösningarna sedimentera.
  4. Placera en 1 cm x 1 cm Kisel (Si) wafer på en Spin Coater.
  5. Snurra skivan vid 8000 rpm under 45 sek. Medan det snurrar, släpp approximativt 1 ml toluen på den snurrande skivan.
    Obs: Alla steg som involverar spinnbeläggning utförs i ett dragskåp.
  6. Å nu stationära Si-skivan, tillsätta lösningen från steg 1,3 droppvis på Si-skivan tills hela ytan av Si-skivan är täckt.
  7. Innan lösningen torkar på skivan, snurra Si-skivan vid 4000 rpm under 20 sek.
  8. Bestämma tjockleken av filmen med användning av ellipsometri (se steg 2).
  9. Om filmen är den önskade tjockleken, annEAL filmen i en vakuumugn vid 393 K för 15 timmar.

2. Fastställande Film Tjocklek

  1. Placera spunna gjuten film på ellipsometer scenen och mäta ellipsometriska vinklar Ψ (λ) och Δ (λ) vid en infallande ljusvinkel på 70 ° med en 1 sekund insamlingstiden och inställning zonen medelvärdes påslagen.
  2. Med hjälp av ellipsometer programvara, passar den resulterande Ψ (λ) och data Δ (λ) till ett treskiktsmodell enligt tillverkarens protokoll. Det finns inga ytterligare användarinmatningar. Det första skiktet är ett substratskikt Si, är det andra skiktet ett olegerat oxidskikt med en tjocklek av 1,5 nm, och det tredje skiktet är en Cauchy-modell (n = A + B / λ 2, k = 0), vilket motsvarar till de optiska egenskaperna hos polystyrenfilmen. I denna modell, A och B är lämpliga som parametrar, och n och k är de reella och imaginära komponenterna av indexet för refraktion, respektive.
  3. För Cauchy skiktet, montera thickness och A- och B-parametrar om filmen är över 10 nm. Om filmen är under 10 nm, passar endast A.
    Obs: Detta kommer att diskuteras vidare i resultat avsnittet representanten.

3. kylhastighet Beroende Tg Mätningar

  1. Belägga ytan hos värmeelementet av den variabla temperatur ellipsometer steget med termisk pasta.
  2. Placera glödgade polystyren filmen på värmeelementet.
  3. Kläm filmen ordentligt på värmeelementet.
  4. Flöde 100% torr Kvävgas genom temperatursteget vid ett tryck av <69 kPa.
  5. Med hjälp av temperaturstadiet programvara, skapa en temperaturprofil. Denna temperaturprofil börjar med en värmeramp till 393 K vid 150 K / min. Håll filmen i 393K under 20 min.
    1. Sedan, alternativa kylnings ramper till 293 K med en hastighet av 150, 120, 90, 60, 30, 10, 7, 3, och 1 K / min med uppvärmnings ramper till 393 K vid 150 K / min. Placera en 5 min tempeperatur håll efter varje ramp.
  6. I ellipsometer programvara, gör en temperaturberoende ellipsometri modell som liknar den i avsnitt 2. Alla tre skikt är desamma, med undantag av att substratet ändras till en temperaturberoende Si modell.
  7. I skiktet för temperaturberoende Si modell, slå på "Använd Ext Temp från Parm Log" Parameter.
  8. Använda laboratorieutrustning kontrollera programvara, har ellipsometer mjukvaran läsa temperaturvärden från temperaturstadiet.
  9. Rikta ellipsometern så att signalen når maximal intensitet.
  10. Under "Redigera hårdvarukonfigurationer", ställer den snabba förvärvstiden till 1 sekund med hög noggrannhet zon genomsnitt. Ställ den normala förvärvstiden till 3 sekunder med hög noggrannhet zon genomsnitt.
  11. Under "in situ" -fliken i ellipsometer programvaran kontrollera "snabb åtkomst tidsläge" rutan och tryck på "Start Acquisition". Starta sedantemperaturprofilen. Innan 3 K / min kylning ramp, avmarkera den snabba förvärvstidsruta.

4. Fastställande Värden för Tg

  1. Exportera temperaturen och tjockleksprofiler i den föredragna graf och analys, och separera temperaturdata och tjocklek för alla 9 kylningshastigheter.
  2. För att ta hänsyn till effekten av zonen genomsnitt under förvärvet på temperaturen, ta varje temperaturvärde, och i genomsnitt den med temperaturvärdet som föregår det, så att T = (T i + T i-1) / 2, där Ti är ett temperaturvärde vid en given tidpunkt, och T i-1 är temperaturen för den föregående tidspunkten.
  3. Plot Tjocklek kontra temperatur för varje kylningshastighet.
  4. Utför en linjär anpassning på en del av Super kyld vätska regim (regimen hög temperatur med större utvidgningskoefficienten). Detta system kommer att vara ungefär från 393 K till 380 K.
  5. Perform en linjär anpassning på en del av den spegelblanka regim samma uppsättning data. Detta system har en lägre expansionskoefficient, och kommer att vara ungefär från 293 K till 340 K.
  6. Hitta skärningspunkten för dessa två linjer. Temperaturen där dessa linjer skär varandra är glasövergångstemperaturen.
  7. Gör detta för alla nio ramper.

5. Analysera Genomsnitt Tunnfilms Dynamics

  1. För en given filmtjocklek plot Log (kylhastighet (K / min)) vs. 1 / Tg (K -1).
  2. Jämför detta indirekt att rikta mätningar av bulk och yta dynamik med den empiriska relationen: Kylning Pris * τ α = 1000. 23,24

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Montering Rå Ellipsometri Data

Polystyrenfilmer är transparenta i våglängdsområdet av ellipsometern (500-1,600 nm). Sålunda kan en Cauchy modell är en bra modell för att beskriva refraktionsindex polystyrenfilmer. Figur 1A visar ett exempel på Ψ (λ) och Δ (λ) för en tjock (274 nm) film av polystyren, och den resulterande passning till Cauchy modell Ekvation 1 . För filmer tjockare än 10 nm, bör både A- och B-parametrar för Cauchy ekvationen vara lämpligt att noggrant modellera är beroende av våglängden brytningsindex. Cauchy modellen är bara fysisk när n är en minskande funktion av våglängd, λ. Figur 1B visar ett exempel på ett fysiskt index som framgår av den alltid minskande värde på n och <em> k = 0. För filmer tunnare än 10 nm, den korta våglängden för ljus betyder bara en parameter i Cauchy ekvation bör vara lämpligt. I dessa extremt tunna filmer kan med B som en öppen passning parameter driva ellipsometri passning till en unphysical index, även om "fit" av Ψ (λ) och Δ (λ) har en liten medelkvadratfelet (MSE). Ett sådant exempel kan ses i figur 2. För vissa material kan det vara nödvändigt att montera högre order termer i Cauchy modell eller använda ett mer avancerat optiskt modell för att exakt passa optiska egenskaper.

Figur 1
Figur 1. Fysisk Ellipsometry passform. (A) Ett exempel på Ψ (λ) (röd heldragen linje) och Δ (λ) (grön heldragen linje) för en 110 nm film av polystyren, och den resulterande passning (svart streckad linje). (B Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2
Figur 2. Unphysical Ellipsometry passform. (A) Ett exempel på Ψ (λ) (röd heldragen linje) och Δ (λ) (grön heldragen linje) hos en 8 nm film av polystyren, och den resulterande passning (svart streckad linje). (B) Ett exempel på unphysical index n (röd linje) och k (blå linje) som produceras av passningen i del A Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Montering kylhastighet-beroende T g Experiment

Vid montering av tjockleken av en film i hela temperaturprofilen, är det viktigt att komma ihåg både polystyrenfilm och Si-skivsubstratet kommer att expandera, och deras optiska egenskaper kommer att förändras med temperaturen. Således, för att beräkna exakta expansionskoefficienter, index för Si-substratet måste passa med en temperaturberoende modell för att ta hänsyn till förändringar i de optiska egenskaperna hos Si. Ett enkelt sätt att kontrollera om Si-substratet är korrekt modelleras är att se om passformen på MSE förändras avsevärt med temperaturen. Figur 3A visar ett exempel på en tjocklek, temperatur, och MSE profil för en passform som modeller beroendet av temperaturen index för Si korrekt, medan Figur 3B visar samma profiler när passform som inte korrekt redovisa ändringarna i de optiska egenskaperna hos Sisubstrat. Observera att MSE värdena i fig 3B varierar kraftigt med temperaturen. MSE Minskningen i figur 3A beror på att byta från ett förvärv på 1 sek till 3 sek.

Figur 3
Figur 3. kylhastighet Tg profiler. (A) Ett exempel på en typisk temperatur, tjocklek och MSE profil för en enda CR-Tg experiment på en 110 nm polystyrenfilm vid korrekt står för temperaturberoende index för Si-substratet . (B) Ett exempel på en typisk temperatur, tjocklek och MSE profil för en enda CR-Tg experiment på samma film när felaktigt står för temperaturberoende index för Si substrat. Klicka här för att seen större version av denna figur.

Tilldela Tg

Tg kan beräknas från en tjocklek mot temperatur diagram för en given kylningsramp. Figur 4 visar ett exempel på en sådan kurva. Tg definieras som den temperatur där en underkyld vätska faller ur jämvikt vid kylning. I dessa ellipsometri experiment är Tg definieras som den temperatur vid vilken linjär passar till den underkylda vätskan och glasartade regimer skär varandra. Figur 4 belyser dessa regimer som rött och blått, respektive. Dessa regimer bör väljas så att de beräknade expansionskoefficienterna håller med tidigare bulk mätningar, om sådana finns. Denna metod skulle eliminera subjektivitet från urvalsprocessen, vilket skulle kunna leda till artificiellt höga eller låga utvidgningskoefficients, och därför är mindre exakta mått på Tg. Dessutom bör expansionskoefficient vara oberoende av skikttjocklek och kylningshastighet, vilket kan ge vägledning i de fall där bulk värden för utvidgningskoefficient är inte tillgängliga. De expansionskoefficienter kan beräknas genom att dividera sluttningarna av de två systemen med filmtjockleken. Genom att använda denna metod för att bestämma Tg, är Tg för en 110 nm film av polystyren uppmättes till 372 ± 2 K vid 10 K / min, och expansionskoefficienterna för kvällsmat kyld vätska och glas är 5,7 x 10 -4 ± 3 x 10 -5 K -1 och 1,5 x 10 -4 ± 3 x 10 -5 K -1, respektive, som stämmer väl överens med tidigare bestämda värden. 29 Felen på värdena på Tg och expansionskoefficienterna ett resultat av rimliga förändringar i de utvalda regionerna för super kylda och glasartade regimer.

: keep-together.within-page = "1"> Figur 4
Figur 4. Tilldela Tg. En typisk kurva för tjockleken mot temperatur för en 110 nm-film av 342 kg / mol PS vid en kylningshastighet av 10 K / min. De skuggade delarna av kurvan representerar superkyld vätska (röd) och glasartade (blå) regimer som valts i syfte att tilldela Tg. Tg definieras som den temperatur vid vilken de två linjära passar korsar varandra. Med denna metod är Tg för en 110 nm film av polystyren uppmättes till 372 ± 2 K vid ett K / min och expansionskoefficienterna för kvällsmat kyld vätska och glas är 5,7 x 10 -4 ± 3 x 10 - 5 K -1 och 1,5 x 10 -4 ± 3 x 10 -5 K -1, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

ve_content "fo: keep-together.within-sida =" 1 "> Analysera Genomsnitt Film Dynamics

Kylningshastigheten beroende Tg data kan vara relaterat till den genomsnittliga relaxationstiden hos Tg genom den empiriska förhållande att vid en kylningshastighet av 10 K / min, systemet faller ur jämvikt när den genomsnittliga relaxationstiden är lika med 100 sek, dvs kylningshastighet x τ α ≈ 1000. 24 tillämpning av denna relation till data i figur 5A, en kurva över log (kylningshastighet) jämfört med 1 / Tg (Figur 5B) kan användas för att utvärdera hur exakt denna relation är för polystyren, och hur väl CR-Tg metod beskriver bulk dynamik för en tjock film. De röda Data i figur 5B är bulk dynamik polystyren bestämd via dielektrisk spektroskopi. 16 Även kylningshastigheten x τ α ≈ 1000 relation är rent empiriskt och kan ändras något beroende på den experimentella teknik som används för att bestämma bulk dynamik, eller den specifika glasbildare testas, visar 30,31 Figur 5B att Kylhastigheten beroende Tg data för en 110 nm film av polystyren instämmer väl med dessa data. Denna figur visar också att CR-Tg kan användas för att utöka det dynamiska området mätningarna till låg temperatur, som vanligtvis inte är tillgängliga genom dielektriska mätningar avkoppling. Vidare är lutningen av en linjär anpassning av Log (CR) vs 1 / Tg data relaterad till den aktiveringsenergin för glasövergångs. Denna aktiveringsenergi är relaterad till bräcklighet (m) av den glasartade filmen vid Tg genom sambandet;

Ekvation 2

Den andra termen är enda rätta jagf en Arrhenius passning till data används som en approximation. Med denna metod, är bräcklig för en 110 nm PS film uppmättes till 162 ± 21. Detta värde är i god överensstämmelse med redovisade värden för bulk polystyren i litteraturen (150) från dynamiska mätningar scanningkalorimetri. 32

Figur 5
Figur 5. Analysera Genomsnitt Film Dynamics via CR-T g experiment. (A) En tomt på Tg vs. Kylningshastighet för en 110 nm film av polystyren. (B) Rita av Log (Cooling Rate) vs. 1000 / Tg för samma film (svarta cirklar). Med relationen (kylningshastighet) x τ = 1000, är resultatet av ett CR-Tg experiment på 110 nm PS plottas tillsammans med direkta åtgärder av bulk dynamik PS, med hjälp av dielektrisk relaxation 16 med no ytterligare skiftande faktorer (röd öppna kvadrater). Den röda streckade linjen är en Volgel Fulcher Tammann ekvation Ekvation 3 passa de dielektriska uppgifter avkoppling från referens 16. Den resulterande passnings parametrar t 0 = 10 12, B = 13.300 K och T 0 = 332 K. Värdet på T * från Ref 23 plottas här som en blå stjärna. Från tomten är bräcklig uppmättes till 162 ± 21. Detta värde är i god överensstämmelse med tidigare rapporterade värden i litteraturen (150). 32 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Kyla-Rate beroende T g mätningar är hög kapacitet karakteriseringsexperiment som kan bestämma Tg, expansionskoefficienten för glaset och superkyld vätska, beroendet av den genomsnittliga dynamiken temperatur och bräckligheten i en särskild glasartat material i en enda experiment. Dessutom, till skillnad från fluorescens, inbäddning, eller nanohole relaxa experiment CR-Tg experiment är relativt snabb och enkel, eftersom de inte använder fluoroforer eller andra komplicerade experimentella tekniker. På grund av känsligheten hos ellipsometri, kan denna metod användas på filmer av tjocklekar så tunna som några nanometer och så tjock som några få mikrometer, så länge som anpassningsproceduren är korrekt. Detta möjliggör en snabb och enkel analys av både temperaturberoende och tjocklek beroende av den genomsnittliga dynamik och bräcklighet.

För att utföra dessa mätningar framgångsrikt there är några viktiga steg där extra försiktighet måste vidtas. Det är absolut nödvändigt att ellipsometri passar vara korrekt. Som förklarats tidigare, är det kritiskt att beroendet av de optiska egenskaperna hos Si-substrattemperaturen beaktas. Om du inte gör detta kan leda till felaktiga värden på Tg och felaktiga värden för utvidgningskoefficient. Det är också viktigt för att klämma filmen ordentligt till värmeelementet. Detta bidrar till att säkerställa god värmekontakt, vilket är absolut nödvändigt för att noggrant definiera T g värden vid höga priser. Slutligen, vid tilldelning värden på Tg, den valda underkylda vätskan och glasartade regimer får inte innehålla glasövergångs själv. Glasövergångs definieras som den del av övergången där lutningen av tjockleken vs temperaturdata förändras mellan den underkylda vätskan och glasartade regimer. Inklusive denna förändring i lutningen antingen linjär anpassning skulle artificiellt ändra beräkna värdet på Tg.För att ta bort subjektiviteten från urvalsprocessen, väljer superkyld vätska och glasartade regimer som producerar expansionskoefficienter som överensstämmer med redovisade värden.

En annan fördel med detta protokoll är att det kan ändras för att göra det möjligt att analysera alla glasbildare. Den enda aspekten av detta protokoll som skulle behöva ändras för att testa dynamiken i en annan glasbildare är temperaturprofilen. Så länge som huvuddelen Tg för glasbildare är känd kan de maximala och minimala temperaturerna ändras för att säkerställa att filmen undergår en glasövergångs, men också inte bryts ned. Den maximala temperaturen bör vara ungefär Tg + 20 K, och lägsta temperatur bör vara minst Tg - 40 K. Dessutom kan de valda kylningshastigheter varieras för att undersöka andra tidsskalor är av intresse för en viss typ av polymerfilm.

Trots dess fördelar, det finns begränsningar för denna teknik.Eftersom denna teknik sonder indirekt en genomsnittlig relaxationstid genom kylningshastighet av experimentet, skalar den tid denna metod prober är begränsade till den maximala kylningshastigheten tillgängligt genom metoden enligt temperaturkontroll. För tillvägagångssättet ellipsometri presenteras här, den snabbaste tillgängliga kylningshastigheten är 150 K / min, vilket hänför sig till en relaxationstiden för τ = 6,66 sek. Medan denna tidsskala är långsam nog för att vara relevanta för glasövergångs är det mycket långsammare att den tidsskalor relevanta för viskositeten för polymersmältor. Så länge vågar oftast bestäms via reologi eller dielektrisk spektroskopi, men CR-T g mätningar kan undersöka dessa tidsskalor om kylningshastigheten är tillräckligt snabb. Detta kan lätt uppnås med hjälp av nanocalorimetry eller flash DSC. 33,34

På grund av den hög genomströmning naturen hos denna teknik, gör det för många olika typer av material som skall testas. Även om denna rapport fokuserar på CR-Tgexperiment polystyrenfilmer, kan detta samma metod lätt appliceras på ett område av glasartade material från långkedjiga polymerer till små organiska molekyler som används i organiska elektronisk teknik. Så länge som integriteten hos filmen håller genom experimentet, kan temperaturberoendet och tjocklek beroende av genomsnittliga dynamik och skörhet bestämmas.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Författarna vill tacka för James A. Forrest för att få hjälp i den ursprungliga idén för denna teknik. 26 Detta arbete stöddes genom finansiering från University of Pennsylvania och har delvis stöd av MRSEC program National Science Foundation i utmärkelsen nr. DMR-11- 20901 vid University of Pennsylvania.

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).

Tags

Kemi Ellipsometry dilatometri Glasövergångs Bräcklighet Polymer tunna filmer Kyla-Rate beroende glasövergångs
Kylningshastighet Beroende ellipsometri Mätningar som Bestäm Dynamisk av tunna glas- Films
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Glor, E. C., Fakhraai, Z. Cooling… 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