Le Module de l'Analyse Thermique de Bruker (VITA) Active l'Analyse Thermique de Nanoscale des Polymères

Sujets Couverts

Introduction
Analyse Thermique de Nanoscale
Mélanges de Polymère
Films Multicouche
Couches
Conclusion

Introduction

Le module de l'Analyse Thermique (VITA) active l'analyse thermique de nanoscale (nTA), une technique nouvelle qui permet la détermination de la température de passage locale sur la surface d'un matériau avec la résolution spatiale de nanoscale. En fournissant la caractérisation quantitative, le nTA peut aider à recenser des matériaux et leur séparation de phase et distribution de composant (ou totalisation) au nanoscale. La technique emploie une sonde thermique spécialisée pour chauffer une région très petite sur la surface témoin et pour mesurer localement ses propriétés thermiques, y compris des passages thermiques tels que des points de fusion et des passages en verre. La sonde thermique est assimilée dans la géométrie et les caractéristiques matérielles à la microscopie atomique de force de silicium normal (AFM) sonde, et active ainsi le rétablissement des plans à haute résolution de topographie d'échantillon utilisant le mode de contact et les techniques de TappingMode™. L'image d'AFM peut être employée pour viser des emplacements d'intérêt pour les analyses thermiques, qui peuvent alors être exécutées en quelques secondes. De cette façon, le nTA marie la définition de l'AFM aux données sans ambiguïté et quantitatives de l'analyse thermique. Cette note d'application décrit la technique et explique ses avantages dans un certain nombre d'applications.

Analyse Thermique de Nanoscale

Les méthodes Thermiques, telles que la calorimétrie à balayage différentiel (DSC), l'analyse thermomécanique (TMA), et l'analyse mécanique dynamique (DMA), sont des techniques bien établies pour caractériser la température de passage des matériaux. Cependant, une limitation sérieuse des méthodes thermiques conventionnelles est qu'elles donnent seulement une réaction échantillon-faite la moyenne et ne peuvent pas fournir des informations sur les défauts localisés, ni peuvent elles donner les propriétés thermiques des couches/des films moins que quelques microns dans l'épaisseur. Une mesure de DSC, par exemple, peut indiquer la présence de plus d'une phase, mais la technique ne peut généralement fournir aucune information concernant la taille ou la distribution des phases. Ceci influence en particulier des scientifiques travaillant avec des mélanges de polymère (où les morphologies de mélange sont essentielles à déterminer leurs propriétés matérielles), des couches (où les imperfections telles que des formations de gel peuvent sérieusement influencer la performance), des films multicouche, et des composés.

L'AFM a été par habitude employé pour caractériser la topographie de tels matériaux, ainsi que la distribution de leurs composants. Dans quelques types d'échantillons, le matériau, si connu, et sa forme peut être déterminé de la topographie ou de la variation de propriété mécanique indiquée dans des images d'AFM. Traditionnellement, ceci a été accompli par un certain nombre de modes de microscope de sonde (SPM) de lecture, représentation tels que la microscopie de force (LFM) transversale, la modulation de force, et de TappingMode phase. Plus récent, l'introduction de HarmoniX™ a fourni à une combinaison unique de la représentation la plus de haute résolution, rapide, non destructive la représentation quantitative de propriété mécanique. HarmoniX est idéal pour tracer des variations de nanoscale des propriétés mécaniques. Chaque Fois Que les composants ou les microphases montrent des différences important dans les propriétés mécaniques, ces techniques peuvent également fournir une distribution sans ambiguïté de composant et de phase.

L'avantage de l'analyse thermique de nanoscale (nTA) est qu'il peut fournir une identification matérielle de nanoscale sans ambiguïté même faute de variations de propriété mécanique. Il permet la détermination des températures de passage locales sur la surface d'un échantillon. Ceci est accompli en mettant une sonde spécialisée en contact avec la surface témoin, chauffant l'extrémité de l'encorbellement, et mesurant son fléchissement utilisant le dépistage normal de fléchissement de poutre de l'AFM. Pendant la mesure, la sonde est retenue à un emplacement fixe sur la surface de l'échantillon. Comme encorbellement et, consécutivement, échantillon réchauffez, l'échantillon augmentera, en soulevant la sonde et entraînant une augmentation du signe vertical de fléchissement. À une température de passage, le matériau type ramollira tels que la force appliquée par l'encorbellement peut déformer la surface de l'échantillon, permettant à la sonde de pénétrer l'échantillon et diminuant le fléchissement de l'encorbellement. Le changement de la pente du signe de fléchissement est un signe d'un passage thermique. Cette technique est assimilée à la technique en vrac d'analyse thermique, l'Analyse Thermomécanique (TMA), mais elle peut déterminer la température de passage d'un échantillon localement sur le micro et même le nanoscale. La température de passage comme mesurée par le nTA marque type bien avec la température de passage mesurée par des techniques en vrac, et peut être pour cette raison utilisée pour recenser un matériau et pour déterminer si elle est sous une forme cristalline ou amorphe.

Les encorbellements particulièrement conçus d'AFM utilisés pour que la technologie incorporée du nTA MEMS produise un chemin conducteur par les pieds de la partie en porte-à-faux et de haute résistance près de son extrémité. Ceci fait réchauffer l'extrémité de l'encorbellement quand le courant traverse le chemin conducteur. L'encorbellement lui-même est fait de silicium et le chemin est produit en implantant le silicium avec différentes concentrations de dopant. Le Schéma 1 expositions une image de SEM de la sonde thermique utilisée dans le nTA. La sonde a un radius assimilé de rapport hauteur/largeur et d'extrémité aux sondes corrodées normales de silicium, permettant la représentation à haute résolution dans le mode de contact ou le TappingMode. Puisque le matériau est silicium dopé, l'encorbellement peut supporter des courants beaucoup plus élevés que les encorbellements de film métallique, et réalise pour cette raison les températures beaucoup plus élevées. Le chauffage Contrôlable peut être exécuté jusqu'aux températures aussi élevées que 350-400°C. La conduction thermique élevée du silicium active très des tarifs de rampe de température élevée, atteignant la température maximale en moins de 100 micro-secondes, de ce fait tenant compte (débit élevé et localisé) du chauffage rapide témoin. Une allocation complémentaire des encorbellements est leur capacité de supporter le pouls chauffant à autour de 1000°C, qui peut être employé pour nettoyer n'importe quelle contamination qui adhère à l'apex de la sonde.

Le Schéma 1. Une image de SEM de la sonde thermique microfabricated utilisée pour des mesures de nTA. La vignette est un zoom de l'extrémité, qui établit le contact avec la surface témoin.

La plage de températures accessible avec le nTA sonde, et le besoin de chauffage localisé témoin (de ce fait limitant la conduction thermique de l'échantillon) effectue à la technique de nTA une correspondance idéale pour des polymères. Ainsi, des applications de nTA ont été concentrées sur les matériaux polymères et pharmaceutiques. Être suivent un certain nombre d'applications dans ces zones affichant que l'installation du nTA à caractérisent plus entièrement un matériau au nano ou à la micro-échelle. De plus, l'usage des sondes passionnées dans la microscopie de sonde de lecture continue à développer des techniques et des applications neuves et intéressantes, de la lithographie de nanoscale à la caractérisation électrique température-dépendante des échantillons.

Mélanges de Polymère

Des mélanges de Polymère sont utilisés dans un large éventail d'industries dues au réglage fin du choix constitutif correcte traversant possible de propriétés matérielles. L'AFM a été employé pour aider à caractériser la taille et la distribution de domaine dans un large éventail d'échantillons de mélange de polymère. Suivant les indications des schémas 2 et 3, les domaines peuvent être conçus utilisant des données de topographie et la représentation de phase. Ceci constitue un point de départ idéal pour le nTA, qui peut alors être employé pour aider à recenser quel domaine est quel, ainsi que si les domaines sont entièrement phase isolée ou sont entremêlés. Puisque les échantillons dans ces chiffres sont des mélanges non-miscibles, la question primaire est quel matériau est quel.

Le Schéma 2. (a) image de 4µm x de 4µm TappingMode AFM d'un polystyrène - mélange (PS-LDPE) faible-densitypolyethylene. Les cercles rouges et bleus mettent en valeur l'emplacement employé pour des mesures de VITA dans les domaines de PICOSECONDE et la modification de LDPE, respectivement. (b) Mesures de nTA de VITA affichant reproductible la température de passage en verre de PICOSECONDE à l'intérieur des domaines et le passage de fonte de LDPE dans la modification, de ce fait recensant la distribution constitutive sans ambiguïté.

Le Schéma 3. (a) image de 4µm x de 2µm TappingMode AFM d'un oxyde de polyéthylène - mélange syndiotactique du polypropylène (PEO-espèces) affichant la topographie (laissée) et la phase (droite). Le cercle rouge met en valeur un petit domaine et le cercle bleu met en valeur un domaine assimilé après que l'analyse thermique nanoe ait été exécutée. (b) Mesure de nTA de VITA exécutée à l'emplacement du cercle bleu. La courbure affiche une caractéristique de la température de passage de PEO, suivie d'un passage de fonte d'espèces. Apparemment, les petites caractéristiques techniques visibles dans les images d'AFM représentent les domaines peu profonds de PEO qui sont promptement traversés, permettant à la sonde de sentir le domaine du petit PEO et étant à la base de la modification d'espèces.

Tous les matériaux dans ces mélanges (polystyrène, faible-densité-polyéthylène, oxyde de polyéthylène, polypropylène syndiotactique) sont relativement raides en comparaison de l'encorbellement à la température ambiante, ainsi de l'identification matérielle basée sur la variation de propriété mécanique peuvent prouver peu fiable. Les températures de Passage, d'autre part, diffèrent grand entre les composants, tenant compte de l'identification constitutive droite utilisant le nTA. Les Informations supplémentaires au sujet de l'épaisseur de domaine peuvent être glanées dans le cas de l'oxyde de polyéthylène - mélange syndiotactique du polypropylène (PEO-espèces), où la pénétration de sonde dans de petits domaines de PEO est vue pour être rapidement suivie de pénétration dans une modification fondamentale d'espèces.

Les données de nTA présentées ici (les schémas 2 et 3) ont été produits utilisant des tarifs de chauffage de 5°C par seconde. Tandis Que sensiblement plus rapidement que des tarifs de chauffage type utilisés pour l'analyse thermique en vrac, ce haut débit est particulier pour le nTA et il active le débit localisé de chauffage et de haut. La détermination sans ambiguïté de la distribution de mélange représentée sur le schéma 2 faisait dans juste quelques minutes. L'instrumentation permet le réglage des tarifs de chauffage sur une large gamme à des vitesses de chauffage plus lentes et sensiblement plus rapides, de la manière prescrite pour l'expérience.

Films Multicouche

Les films Multicouche représentent un choix de matériau normal pour la plupart des applications d'emballage. Les différentes couches dans un film multicouche contribuent différents attributs au film final, y compris les propriétés matérielles de rigidité et de barrage. Tandis Que l'analyse thermique en vrac peut être employée pour mesurer la pile composée complète, le nTA permet la personne, mesures thermiques in-situ de propriété dans différentes couches. Ceci active l'identification de chaque couche, ainsi que l'identification de différents défauts dans n'importe quelle couche. Supplémentaire, la température de passage des différents films peut être tracée pour trouver la présence possible des gradients de température de passage ou des inhomogénéités. Les gradients Thermiques par l'épaisseur du film peuvent se produire pendant le traitement du film dû aux différences dans l'histoire thermique entre les deux côtés. Le Schéma 4 affiche un exemple d'un film multicouche simple utilisé pour l'emballage alimentaire. Le film central de l'alcool de vinyle d'éthylène (EVOH) est utilisé comme film de barrage et a une plus basse température de passage que la couche adjacente de « relation étroite » ou les couches de polyéthylène haute densité d'extérieur.

Le Schéma 4. (a) image de topographie de 25µm x de 12µm TappingMode d'un film multicouche croix-en coupe utilisé pour l'emballage alimentaire. (b) Données de nTA de VITA affichant des passages thermiques distincts dans chaque couche. Les courbures bleues ont été obtenues en couches de empaquetage externes (aux côtés gauches et droits de l'image d'AFM) et montrent les températures de passage élevées indicatives du polyéthylène haute densité. La courbure verte a été obtenue en couche centrale (centre de l'image d'AFM) et documents la caractéristique beaucoup inférieure de la température de passage de l'alcool de vinyle d'éthylène (EVOH), un choix typique pour une couche-barrière. La courbure rouge avec sa température de passage intermédiaire a été obtenue en sur couche mince entourant la couche centrale.

Couches

Les matériaux polymères Organiques sont très utilisés comme des couches dans un nombre de plus en plus important des applications dues aux opportunités qu'ils prévoient régler avec précision la performance, en particulier aspect et des propriétés extérieures telles que la résistance de la corrosion. Pendant Que la gamme d'applications se développe et les conditions deviennent plus d'exiger, la complexité vêtante augmente et l'épaisseur est décroissante. Cette tendance vers les couches minces et complexes entrave l'enquête avec le matériel traditionnel d'analyse thermique. Un défi supplémentaire résulte du foyer récent sur les tarifs corrigeants, où les règlements et les considérations environnementaux de coût de fabrication pilotent une minimisation de temps de séchage. Ainsi, l'analyse des couches exige de plus en plus la définition spatiale et temporelle.

La technique de nTA répond à tous les besoins imposés par des applications modernes de couche. Une mesure individuelle est exécutée dans des secondes, tenant compte de la quantification des temps corrigeants qui sont des minutes dans la durée. La résolution spatiale de nanoscale accordée par le nTA étend l'analyse thermique à des couches plus minces, et en compensant la sonde une petite distance transversal après chaque mesure à un emplacement calme, ou des inhomogénéités spatiales ou les dépendances de temps peuvent être déterminées.

Le Schéma 5 affiche qu'une application d'exemple utilisant le nTA de VITA recensait la distribution des matériaux dans une couche solide de lubrifiant de deux-composant. Les deux matériaux étaient pulvérisateur déposé ensemble sur un substrat en aluminium. Optiquement, il s'est avéré que la couche n'était pas continue. Cependant, ni les données optiques ni d'AFM n'ont pu différencier les deux matériaux. À l'aide du nTA, la surface non-enduite a pu de manière dégagée être recensée à cause du manque de pénétration de sonde dans la surface dans toute la plage de températures, comme expliqué avec la courbure verte dans les données de VITA. Les deux autres composants ont pu être recensés par leurs températures de passage facilement discernées de ~85°C contre ~125°C. En traçant un certain nombre d'îles, on lui a également affiché que les deux composants formés séparent des îles et n'ont pas entremêlé.

Le Schéma 5. Une image optique (droite) d'une couche solide de lubrifiant de deux-composant. Les cercles indiquent des emplacements où des données de nTA ont été prises, et les couleurs marquent avec les courbures dans le graphique (est parti). Les données de nTA dans le graphique recensent de manière dégagée les deux couches différentes par leurs températures de passage distinctes. L'absence totale des températures de passage dans la courbure verte prouve que ni l'un ni l'autre de composant n'est présent à l'emplacement du cercle vert.

Conclusion

En activant l'analyse thermique de nanoscale, le module de VITA combine les mondes de la microscopie et de l'analyse thermique, de ce fait indiquant la distribution spatiale des propriétés et des inhomogénéités thermiques. Cette capacité rend l'accessoire de VITA seulement précieux dans les applications s'échelonnant de l'analyse des mélanges ou des composés de polymère aux mesures in-situ des couches minces. La technique est rendue possible par une sonde thermique microfabricated qui permet à des scientifiques de chauffer des échantillons localement et des propriétés thermiques de mesure des régions sur la micro-échelle de nanoand.

Cette information a été originaire, révisée et adaptée des matériaux fournis par des Surfaces de Nano de Bruker.

Pour plus d'informations sur cette source visitez s'il vous plaît les Surfaces de Nano de Bruker.

Date Added: Jun 22, 2009 | Updated: Jan 23, 2014

Last Update: 23. January 2014 11:09

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