Aqui, apresentamos um protocolo para o arrefecimento das taxas de experimentos dependentes elipsometria, que pode determinar a temperatura de transição vítrea (Tg), dinâmica de fragilidade e médios, o coeficiente de expansão do líquido super-resfriado e vidro para uma variedade de materiais vítreos.
Este relatório tem como objetivo descrever totalmente a técnica experimental de usar elipsometria para o arrefecimento da taxa dependente T g (CR-T g) experimentos. Estas medições são experiências de caracterização de alto rendimento simples, que pode determinar a temperatura de transição vítrea (T g), dinâmica médios, fragilidade e o coeficiente de expansão dos estados líquido e super-arrefecida vítreos para uma variedade de materiais vítreos. Esta técnica permite a estes parâmetros a serem medidos numa única experiência, enquanto que outros métodos de combinar uma variedade de técnicas diferentes para investigar todas estas propriedades. As medições da dinâmica fechar a Tg é particularmente difícil. A vantagem da taxa de resfriamento medições dependentes T g ao longo de outros métodos que sondam directamente dinâmica a granel e de relaxação de superfície é que elas são experiências relativamente rápida e simples, que não utilizam fluoróforos ou outro ex complicadotécnicas rimentais. Além disso, esta técnica de sondas médias a dinâmica de películas finas tecnologicamente relevantes de temperatura e tempo de relaxação (τ α) que sejam relevantes para a transição de vidro (τ α> 100 seg). A limitação ao uso de elipsometria de arrefecimento de taxa dependente T g experiências é que ele não pode sondar tempos de relaxação relevantes para medições de viscosidade (τ α << 1 seg). Outras técnicas de medição dependente T g da taxa de arrefecimento, no entanto, pode estender o método g CR-T para tempos de relaxação mais rápidos. Além disso, esta técnica pode ser usado para qualquer sistema vítreo, desde que a integridade da película mantém-se durante todo o experimento.
O trabalho seminal de Keddie Jones e Corey 1 mostrou que a temperatura de transição vítrea (Tg) dos filmes finos de poliestireno ultra-diminui em relação ao valor de grandes quantidades a uma espessura inferior a 60 nm. Desde então, diversos estudos experimentais 2-11 apoiaram a hipótese de que as reduções observadas na Tg são causadas por uma camada de mobilidade aumentada próximo da superfície livre desses filmes. No entanto, estas experiências são medidas indirectas de um único tempo de relaxamento, e, portanto, existe um debate 12- 18 centrado sobre uma correlação directa entre o número de dinâmica de película fina e da dinâmica na interface ar / polímero.
Para responder a este debate, muitos estudos têm medido diretamente a dinâmica da superfície livre (superfície τ). Incorporação de nanopartículas, 19,20 nanohole relaxamento, 21 e 22 de fluorescência estudos mostram que o ar / polímero de interface hcomo dinâmica ordens de grandeza mais rápido do que o tempo de relaxamento alfa granel (τ α) com uma dependência da temperatura muito mais fraca do que a de τ α. Devido à sua fraca dependência da temperatura, a superfície τ desses filmes, 19-22 e dinâmica melhoradas de filmes finos de poliestireno, 23,24 intersecta o relaxamento alfa granel (τ ct) a um único ponto T *, o qual é poucos graus acima T g, e a uma α τ ≈ de 1 seg. A presença de T * poderia explicar por que experiências que sondam tempos de relaxação mais rápido do que * não conseguem ver qualquer dependência espessura na T g de filmes ultrafinos de poliestireno. 13-18 Por último, enquanto medições diretas da camada reforçada espetáculo móvel que tem uma espessura de 4-8 nm, 20-22, há evidências de que o comprimento de propagação da dinâmica na interface ar / polímero é muito maior do que a espessura da superfície móvel Layer. 5,25-26
Este relatório tem como objetivo descrever completamente um protocolo para o uso de elipsometria para o arrefecimento da taxa dependente T g (CR-T g) experimentos. CR-Tg foram anteriormente utilizados para descrever a dinâmica médios de filmes ultra-finos de poliestireno. 23,24,27,28 Além disso, esta técnica foi usada recentemente para mostrar uma correlação directa entre a dinâmica médios em filmes ultrafinos de poliestireno , e a dinâmica na superfície livre 23 A vantagem de CR-T medições de g sobre outros tipos de medições, tais como fluorescência, nanopartículas incorporação, nanohole relaxamento, nanocalorimetry, espectroscopia de dieléctrico, e de Brillouin espalhamento de luz., estudos é que eles são relativamente rápidos e experiências simples que não utilizam fluoróforos ou outras técnicas experimentais complicados. Os avanços recentes em elipsometria espectroscópica permitir que esta técnica para ser utilizado para determinar a eficiência óptica properts de filmes ultra-finos de polímeros e outros tipos de materiais híbridos com precisão excepcional. Como tal, esta técnica investiga a dinâmica médios de filmes finos tecnologicamente aplicável em regimes de temperatura e de tempo relevantes para a transição vítrea (Tg ≤, τ α ≥ 100 seg). Além disso, esta técnica fornece informação sobre os coeficientes de expansão do vítreo e ceia arrefecida estados líquidos, assim como a fragilidade do sistema, o qual pode então ser comparado com os dados para os filmes a granel. Finalmente, experiências g CR T pode ser usado para qualquer sistema vítreo, desde que a integridade da película mantém-se durante todo o experimento.
Arrefecimento da taxa de medições g T dependentes são experiências de caracterização de alto rendimento que podem determinar a Tg, o coeficiente de dilatação do vidro e o líquido super-resfriado, a dependência da temperatura da dinâmica médios, e a fragilidade de um material vítreo particular numa experiência única. Além disso, ao contrário de fluorescência, a incorporação, ou experiências de relaxação nanohole, g experiências CR-T são relativamente simples e rá…
The authors have nothing to disclose.
Os autores gostariam de agradecer James A. Forrest ajuda para a idéia inicial para esta técnica. 26 Este trabalho foi apoiado pelo financiamento da Universidade da Pensilvânia e foi parcialmente financiado pelo programa MRSEC da National Science Foundation sob concessão não. DMR-11- 20901, da Universidade da Pensilvânia.
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 |