Ici, nous présentons un protocole de charge expériences de taux d'ellipsométrie, qui peut déterminer la température de transition vitreuse (T g), de la dynamique moyenne, la fragilité et du coefficient de dilatation du liquide super-refroidi et le verre de refroidissement pour une variété de matériaux vitreux.
Ce rapport vise à décrire complètement la technique expérimentale utilisant des ellipsométrie pour dépendante T g (CR-T g) expériences de taux de refroidissement. Ces mesures sont simples expériences à haut débit caractérisation, qui peuvent déterminer la température de transition vitreuse (T g), de la dynamique moyenne, de la fragilité et du coefficient de l'état liquide et vitreux surfondues expansion pour une variété de matériaux vitreux. Cette technique permet à ces paramètres à mesurer en une seule expérience, tandis que d'autres méthodes doivent combiner une variété de techniques différentes pour étudier l'ensemble de ces propriétés. Les mesures de la dynamique fermer à T g sont particulièrement difficiles. L'avantage de refroidissement dépendant de T g mesures de vitesse par rapport aux autres méthodes qui sondent directement en vrac et de relaxation de surface dynamique est qu'ils sont relativement expériences simples et rapides, qui ne sont pas utiliser des fluorophores ou autre ex compliquétechniques expérimentales. En outre, cette technique sonde les moyens de dynamique des films minces technologiquement pertinents dans le temps de la température et de relaxation (τ α) régimes appropriés à la transition vitreuse (τ α> 100 sec). La limitation à l'utilisation de l'ellipsométrie dépendant de T g expériences de taux de refroidissement est qu'il ne peut sonder des temps de relaxation en rapport avec les mesures de viscosité (τ α << 1 seconde). D'autres techniques de mesure de g de taux de refroidissement T dépend, cependant, peuvent étendre la méthode CR-T g à plus rapides temps de relaxation. En outre, cette technique peut être utilisée pour n'importe quel système vitreux aussi longtemps que l'intégrité de la pellicule reste pendant toute l'expérience.
Les travaux fondateurs de Keddie Jones et Corey 1 a montré que la température de transition vitreuse (T g) de l'ultra-minces films de polystyrène diminue avec rapport à la valeur en vrac à des épaisseurs inférieures à 60 nm. Depuis lors, de nombreuses études expérimentales 2-11 ont soutenu l'hypothèse que les réductions observées par T g sont causées par une couche de mobilité accrue près de la surface libre de ces films. Cependant, ces expériences sont des mesures indirectes d'un seul temps de relaxation, et donc il ya un débat 12- 18 centrée sur une corrélation directe entre la moyenne dynamique de couches minces et de la dynamique à l'interface air / polymère.
Pour répondre à ce débat, de nombreuses études ont mesuré directement la dynamique de la surface libre (surface de τ). Nanoparticule encastrement, 19,20 relaxation nanotrou, 21 et 22 fluorescence études montrent que l'interface air / polymère hcomme dynamique ordres de grandeur plus rapide que le temps de relaxation alpha de masse (τ α) en fonction de la température beaucoup plus faible que celle de τ α. En raison de sa faible dépendance de la température, la surface de τ de ces films, 19-22 et améliorées dynamique de minces films de polystyrène, 23,24 coupe la relaxation vrac alpha (τ α) en un seul point T *, qui est à quelques degrés au-dessus T g, à une α et de τ ≈ de 1 sec. La présence de T * pourrait expliquer pourquoi des expériences qui sondent les temps de relaxation plus vite que * ne parviennent pas à voir toute dépendance épaisseur sur la T g de l'ultra-minces films de polystyrène. 13-18 Enfin, alors que des mesures directes de l'exposition de la couche portable amélioré qui il a une épaisseur de 8.4 nm, de 20 à 22 il apparaît que la longueur de propagation de la dynamique à l'interface air / polymère est beaucoup plus grande que l'épaisseur de la surface de laye mobilesr. 5,25,26
Ce rapport vise à décrire complètement un protocole pour l'utilisation ellipsométrie pour dépendante T g (CR-T g) expériences de taux de refroidissement. CR-T g ont été précédemment utilisé pour décrire la dynamique moyenne des films ultra-minces de polystyrène. 23,24,27,28 outre, cette technique a récemment été utilisée pour montrer une corrélation directe entre la dynamique moyenne dans l'ultra-minces films de polystyrène , et la dynamique de la surface libre. 23 L'avantage de g mesures sur d'autres types de mesures telles que la fluorescence, nanoparticule intégration, la relaxation nanotrou, nanocalorimétrie, spectroscopie diélectrique, et diffusion de la lumière Brillouin CR-T, études est qu'elles sont relativement rapides et les expériences simples qui ne utilisent pas fluorophores ou d'autres techniques expérimentales compliquées. Les progrès récents dans ellipsométrie spectroscopique permettent cette technique pour être utilisé afin de déterminer efficacement l'optique properts de films ultra-minces de polymères et d'autres types de matériaux hybrides avec une précision exceptionnelle. En tant que telle, cette technique dynamique sonde les moyens de couches minces applicables sur le plan technologique dans les régimes de température et de durée appropriées à la transition vitreuse (T g ≤ T, τ α ≥ 100 sec). En outre, cette technique fournira des informations sur les coefficients de dilatation de l'vitreux et le souper refroidi états liquides ainsi que la fragilité du système, qui peuvent ensuite être comparées aux données pour les films en vrac. Enfin, des expériences CR- g T peuvent être utilisés pour n'importe quel système vitreux aussi longtemps que l'intégrité de la pellicule reste pendant toute l'expérience.
T dépendante g mesures de refroidissement de taux sont à haut débit expériences de caractérisation qui peuvent déterminer la T g, le coefficient de dilatation du verre et le liquide super-refroidi, la dépendance de la température de la dynamique moyenne, et de la fragilité d'une matière vitreuse particulier dans un expérience unique. En outre, contrairement à la fluorescence, l'intégration, ou à des expériences de relaxation nanotrous, g expériences CR-T sont rela…
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs tiennent à remercier James A. Forrest de l'aide dans l'idée initiale de cette technique. 26 Ce travail a été soutenu par un financement de l'Université de Pennsylvanie et a été partiellement financé par le programme MRSEC de la National Science Foundation ne pas attribuer. DMR-11- 20901 à l'Université de Pennsylvanie.
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 |