利用液滴动态润湿行为研究界面效应对PS超薄膜玻璃化转变行为的影响

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高分子薄膜的厚度随纳米器件尺寸的减小而不断降低。当薄膜厚度降低到高分子链的尺度后,聚合物薄膜的玻璃化转变行为会与本体发生偏离。界面效应是影响聚合物薄膜玻璃化转变温度偏离本体的主要因素之一。并且随着薄膜厚度的降低,界面效应的影响愈加显著。探究衡量界面相互作用强弱的物理参量能够进一步揭示界面效应影响聚合物薄膜玻璃化转变温度的本质。薄膜力学性能随温度变化,利用液滴动态润湿行为可以直接研究聚合物薄膜的玻璃化转变温度。本文通过改变PS链末端功能基团种类和PS分子量来调节聚合物薄膜与基底的界面相互作用,利用液滴动态润湿行为及椭圆偏振仪研究了界面效应对PS超薄膜玻璃化转变行为的影响。结果发现:(1)不同分子量端基化PS超薄膜在Si O2基底表面的Tjm均随薄膜厚度的降低而降低。但是薄膜Tjm降低程度以及Tjm开始偏离本体的临界厚度随端基种类和PS分子量的不同而发生变化。当分子量小于120 kg/mol时,相同厚度下Tjm的次序为:HO-PS-OH>HOOC-PS-COOH>H-PS-H;临界厚度的次序为:HO-PS-OH<HOOC-PS-COOH<H-PSH。并且相同厚度下分子量越小,HO-PS-OH和HOOC-PS-COOH薄膜的Tjm越高,临界厚度越小;而H-PS-H薄膜Tjm的厚度依赖性与分子量无关。当分子量大于120 kg/mol时,不同端基化PS超薄膜Tjm的厚度依赖性基本相同。基底与PS链末端功能基团间的界面相互作用差异是导致PS超薄膜具有不同玻璃化转变行为的主要原因。利用椭圆偏振仪测得的结果与液滴动态润湿行为的结果非常相似。因此,液滴动态润湿行为测量聚合物薄膜玻璃化转变温度的方法是可行的且具有普适性的。(2)基底表面PS薄膜的吸附层厚度(Ra)与PS回转半径(Rg)的比值可作为衡量界面效应影响聚合物薄膜玻璃化转变温度的主要参数之一。PS超薄膜Tjm的降低值(ΔTjm)随Ra/Rg值的增大而线性增大;同时,Tjm开始偏离本体的临界厚度随Ra/Rg值的增加而线性减小。本论文首次发现了Ra/Rg与聚合物薄膜玻璃化转变温度的关系,并且根据Ra/Rg值可以估测与基底间具有不同界面相互作用的聚合物薄膜的玻璃化转变温度。(3)界面效应也对液滴在聚合物薄膜表面的stick-slip行为产生影响。不同分子量端基化PS超薄膜的最大跳跃角(Δθmax)随薄膜厚度变化的斜率Kθ以及最大跳跃角(△θmax)随wetting ridge高度变化的斜率Kw均随Ra/Rg值的增大而线性增大。表明界面相互作用越强,PS超薄膜的最大跳跃角(Δθmax)和wetting ridge高度随薄膜厚度增大得越快。
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