Raffreddamento Vota dipendenti Misure ellissometria per determinare la dinamica dei Thin Films Glassy
Summary
Qui, presentiamo un protocollo per velocità di raffreddamento esperimenti dipendenti ellissometria, che possono determinare la temperatura di transizione vetrosa (Tg), dinamica media, fragilità e il coefficiente di dilatazione del liquido super-raffreddato e vetro per una varietà di materiali vetrosi.
Abstract
La presente relazione mira a descrivere pienamente la tecnica sperimentale di utilizzare ellissometria per tasso dipendente T g (CR-T g) esperimenti di raffreddamento. Queste misure sono semplici esperimenti di caratterizzazione di alto-rendimento, che possono determinare la temperatura di transizione vetrosa (T g), la dinamica media, fragilità e il coefficiente di dilatazione degli stati liquido e vetrosi super raffreddato per una varietà di materiali vetrosi. Questa tecnica permette di questi parametri da misurare in un singolo esperimento, mentre altri metodi devono combinare una varietà di tecniche diverse per indagare tutte queste proprietà. Misure di dinamica vicino ai Tg sono particolarmente impegnativi. Il vantaggio di raffreddamento dei tassi dipende Tg misure rispetto ad altri metodi che sondano direttamente le dinamiche di massa e di rilassamento superficie è che essi sono esperimenti relativamente semplici e veloci, che non utilizzano fluorofori o altri ex complicatotecniche sperimentali. Inoltre, questa tecnica sonda le dinamiche medi di film sottili tecnologicamente rilevanti di temperatura e tempo di rilassamento (τ α) regimi pertinenti alla transizione vetrosa (τ α> 100 sec). La limitazione all'utilizzo ellissometria per velocità di raffreddamento dipende T g esperimenti è che non può sondare tempi di rilassamento rilevanti per misurazioni di viscosità (τ α << 1 sec). Altre velocità di raffreddamento dipende T tecniche di misura g, tuttavia, possono estendere il metodo CR-T g per tempi di rilassamento veloce. Inoltre, questa tecnica può essere utilizzata per qualsiasi sistema vetroso fintanto che l'integrità del film rimane tutto l'esperimento.
Introduction
Il lavoro seminale di Keddie Jones e Corey 1 ha mostrato che la temperatura di transizione vetrosa (Tg) di film di polistirene ultrasottili diminuisce rispetto al valore massa a spessori inferiori a 60 nm. Da allora, numerosi studi sperimentali 2-11 hanno sostenuto l'ipotesi che le riduzioni osservate in T g sono causate da uno strato di una maggiore mobilità in prossimità della superficie libera di questi film. Tuttavia, questi esperimenti sono misure indirette di un unico tempo di rilassamento, e quindi non vi è un dibattito 12- 18 centrata su una correlazione diretta tra la media dinamica a film sottile e le dinamiche all'interfaccia aria / polimero.
Per rispondere a questo dibattito, molti studi hanno misurato direttamente la dinamica della superficie libera (superficie τ). Nanoparticelle incorporamento, 19,20 nanohole rilassamento, 21 e fluorescenza 22 studi dimostrano che l'interfaccia aria / polimero hcome dinamica ordini di grandezza più veloce del tempo di rilassamento alfa massa (τ α) con una dipendenza dalla temperatura molto più debole di quella di τ α. A causa della sua debole dipendenza dalla temperatura, la superficie τ di questi film, 19-22 e migliorate dinamiche di film sottili di polistirene, 23,24 interseca il rilassamento alfa bulk (τ α) in un unico punto T *, che è a pochi gradi sopra T g, e ad un α τ di ≈ 1 sec. La presenza di T * potrebbe spiegare perché gli esperimenti che sondano tempi di rilassamento più veloce di * non riescono a vedere ogni dipendenza spessore sul g T di film in polistirene ultrasottili. 13-18 Infine, mentre le misurazioni dirette della maggiore manifestazione strato cellulare che ha uno spessore di 4-8 nm, 20-22 vi è evidenza che la lunghezza di propagazione delle dinamiche all'interfaccia aria / polimero è molto più grande rispetto allo spessore del piano mobile layer. 5,25,26
La presente relazione mira a descrivere completamente un protocollo per l'utilizzo di ellissometria per tasso dipendente T g (CR-T g) esperimenti di raffreddamento. CR-T g è stato precedentemente utilizzato per descrivere la dinamica medi di film ultrasottili di polistirene. 23,24,27,28 Inoltre, questa tecnica è stata recentemente utilizzata per mostrare una correlazione diretta tra la dinamica medi in film di polistirene ultrasottili , e le dinamiche sulla superficie libera. 23 Il vantaggio di CR-T g misurazioni rispetto ad altri tipi di misurazioni come la fluorescenza, nanoparticelle incorporamento, nanohole rilassamento, nanocalorimetry, spettroscopia dielettrica e light scattering Brillouin, studi è che sono relativamente veloce e semplici esperimenti che non utilizzano fluorofori o altre tecniche sperimentali complicate. I recenti progressi nella ellissometria spettroscopica consentono questa tecnica per essere utilizzato per determinare l'efficienza ottica propertzioni del film ultrasottili di polimeri e di altri tipi di materiali ibridi con una precisione eccezionale. Come tale, questa tecnica sonda le dinamiche medi di film sottili tecnologicamente applicabili nei regimi di temperatura e di tempo relativi alla transizione vetrosa (T ≤ T g, τ α ≥ 100 sec). Inoltre, questa tecnica fornirà informazioni sui coefficienti di espansione del vitreo e cena raffreddato stati liquido e la fragilità del sistema, che può essere confrontato con i dati per film bulk. Infine, CR- T g esperimenti possono essere utilizzati per qualsiasi sistema vetroso fintanto che l'integrità del film rimane tutto l'esperimento.
Protocol
Representative Results
Discussion
Raffreddamento-velocità dipendente T g misurazioni sono high throughput esperimenti di caratterizzazione che possono determinare la g T, il coefficiente di dilatazione del vetro e il liquido super-raffreddato, la dipendenza dalla temperatura della dinamica media e la fragilità di un particolare materiale vetroso in un singolo esperimento. Inoltre, a differenza di fluorescenza, incorporamento o nanohole esperimenti di rilassamento, CR-T g esperimenti sono relativamente rapido e semplice…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori vorrebbero riconoscere James A. Forrest aiuto per l'idea iniziale di questa tecnica. 26 Questo lavoro è stato sostenuto da un finanziamento della University of Pennsylvania ed è stato parzialmente sostenuto dal programma MRSEC della National Science Foundation sotto premio n. DMR-11- 20901 presso l'Università della Pennsylvania.
Materials
| 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 |
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