Laborator zonal pentru masuratori electrice si optice functional

 Dotarea generala cu aparatura

         Laboratorul zonal este dotat cu sisteme laser achizitioante din bugetul Proiectului Capacitati Nr.83/Cp/13.09.2007 si aparatura pentru determinare de proprietati electrice achizitionate din bugetul Proiect Multipol

        Aparate pentru masuratori optice, achizitionate din bugetul proiectului Capacitati:
• Sistem laser excimer LPXPro ce functioneaza cu amestec de gaze XeCl (Laser, sistem optic, software)
• Sistem laser excimer COMPexPRO ce functioneaza cu doua amestecuri de gaze

ArF, KrF (Laser, sistem optic, software): functioneaza la lungimile de unda l = 193 nm (ArF) si 248 nm (KrF).
Aceste echipamente sunt utilizate pentru studiul fotochimiei polimerilor (fotoizomerizare, fotoscindare, grefare, fotoionizare directa), ablatie laser, microlitografie, modificari de suprafete (depunere asistata de laser, sinteza directa prin intermediul laserului, paternare directa indusa de laser, implantare de ioni/dopare/activare implanturi, curatare, decapare asistata de gaze), vaporizare si depunerea unor straturi subtiri pe suporturi de natura diferita (tehnica LPD), masurari (testari optice, spectroscopie, fluorescenta indusa de laser) sau procesari materiale (inscriptionare fibre optice, structurare oxizi conductivi transparenti).

        Aparate pentru masuratori electrice, achizitionate din bugetul proiectului MULTIPOL care se afla in exploatare:
• spectrometru dielectric, care permite masuratori pe domenii largi de frecventa si temperatura,
• electrometru, pentru masuratori de rezistivitate sau conductibilitate in curent continuu, pe o plaja larga de valori, caracteristica materialelor conductoare, si
• instalatie “spin coater”, pentru obtinerea de filme subtiri si foarte subtiri, depuse din solutie, pe suport rigid.

Fig. 8. Versorii impedantelor complexe: Z*, care este asociata in general cu o diferenta de faza φ, Zr*, cu caracter predominant rezistiv, si Zc*, cu caracter predominant capacitiv

Fig. 7. Schema electrica de principiu a circuitului de masura

Fig. 9. Principiile masuratorilor de impedante si de caracteristici electrice: schema de masura, tensiuni, curenti, relatii

Schema bloc a operatiilor si circuitelor dupa care se obtin amplitudinile si fazele marimilor asociate probei in analizorul Alpha-AN este data in figura 10.  Cateva din caracteristicile tehnice acestei unitati sunt urmatoarele:
(i) banda larga de frecvente, de la 3 μHz pana la 20 MHz, ceea ce permite masuratori pe procese foarte lente, cum ar fi conductia in c.c. pana la procese rapide, cum sunt relaxarile moleculare din domeniul nanosecundelor;
(ii) masuratori atat pe materiale conductoare, cu impedanta sub 0,01 ohmi, cat si pe izolatori performanti, care au impedante de ordinul 1016 ohmi;
(iii) masuratori de faze cu rezolutie de 0.001 grade, ceea ce in tg d inseamna 10-5;
(iv) rejectie de zgomot prin corelare tensiunilor de excitare si masurate;
(v) masuratori specifice spectroscopiei neliniare.
            O parte din aceste caracteristici sunt ilustrate in figura 11, unde se prezinta variatia capacitatii echivalente si a defazajului in jurul frecventei de rezonanta a unui cristal oscilant de cuart, un dispozitiv rezonant caracterizat prin valori foarte mari ale factorului de calitate. In acest caz pierderile dielectrice sunt extrem de mici, valoarea tg d fiind sub limita de masura de 10-5 a aparatului.

Figura 10. Schema bloc a analizorului Alpha-A.

Figura 11. Caracteristicile dielectrice ale unui cristal-oscilator de cuart cu frecventa de rezonanta de aproximativ 2 MHz

In cazul unui polimer utilizat ca material izolator, cum este polietilena, aparatul permite insa  masuratori de pierderi dielectrice, observandu-se in  figura 12 ca tg d prezinta o slaba dependenta de frecventa, valori intre 10-4 si 3x10-4 in domeniul de la 0,05 Hz si 1 MHz. In acelasi domeniu de frecventa, constanta dielectrica sau permitivitatea arata variatii mai mici de 3%.

Fig.12. Spectrele dielectrice, adica dependentei de frecventa ale constantei dielectrice si pierderilor dielectrice la polietilena, in domeniul de la 0.01 Hz la 10 MHz

Specificul masuratorilor dielectrice ca studii spectrale este ilustrat in figura 13, observandu-se ca acestora le revin procesele cele mai lente de relaxare moleculara.
            Din punct de vedere practic, figura 14 prezinta imagini ale electrozilor plani care sunt direct atasati probei si ale dispozitivului de fixare a condensatorului de masura in capul de proba.

Fig. 13. Domeniul de frecvente specifice catorva procese de polarizare/relaxare moleculara

Fig.14. Electrozi si distantiere, impreuna cu imaginea partii din capul de masura in care se fixeaza ansamblul proba-electrozi de contact

Sistemul de temperatura variabila
           
            Sistemul Quatro, a doua mare parte a spectrometrului dielectric in discutie, permite obtinerea dependentei de temperatura in domeniul de la -160 la +400 oC pentru constanta dielectrica si pentru pierderile dielectrice.

            Principiul de functionare
            Figura 15 contine schema bloc-functionala care permite controlul temperaturii probei. Aceasta facilitate este realizata dupa cum urmeaza. Vaporii reci de azot se formeaza in dewarul cu azot lichid prin incalzirea controlata a elementului de evaporare. Acestia parcurg modulul de incalzire BDS 1310, unde sunt incalziti mai mult sau mai putin, functie de temperatura prestabilita probei. De asemnea, este controlat si debitul acestora. Fluxul de vapori de azot ajuns in celula de masura face ca aici sa se realizeze temperatura dorita. Blocul de control regleaza temperatura si debitul vaporilor de azot astfel incat sa se realizeze programul prescris de incalzire: domeniul de temperatura, viteza de variatie a temperaturii, etc.
            Intreg circuitul in care vaporii de azot au acces este bine izolat termic prin pereti vidati. De notat ca exista un flux continuu de vapori de azot, de o pierdere de azot prin evacuarea lui in aer.

Fig. 15. Schema functionala a sistemului Quatro pentru comanda si controlul temperaturii probei

Figura 16. prezinta mai complet functiile si caracteristicile unitatilor care concura la realizarea regimului de temperatura. De notat ca capul de masura este unul special construit pentru a mentine stabilitate si reproductibilitate.

Fig. 16. Marimi si parametrii controlati de calculator pentru controlul temperaturii probei

Figura 17.Ilustreaza simularea unui proces controlat termic, anume deschiderea unei sigurante cu prag la aproximativ 120 oC, iar tabelul prezinta performantele sistemului Quatro.

Figura 17. Variatia impedantei unei sigurante termocontrolabile cu temperatura.

Electrometrul
Firma furnizoare: Keithley Instruments, Solon-Ohio, SUA
Modelul: 6517A

Fig. 19. Imagine fotografica cu   instalatia Spin Coater Laurell  
 WS-400B-6NPP-LITE

Caracteristici functionale:

Incinta in care se face depunerea solutiei pe suportul rotitor este confectionata din polipropilena masiva, deci rezistenta practic la toti solventii organici. Depunerea se face in conditii de protejare a operatorului la vaporii solventului utilizat. Aceasta se face prin purjarea de azot-gaz care preia vaporii de solvent si-i evacueaza printr-o conexiune la nisa.
 
Metode de preparare a probelor

            Proprietatile dielectrice se cer determinate cat mai reproductibil intrucat polimerii sunt in general materiale dielectrice si izolatoare consacrate. Parametrii electrici care se au in vedere pentru laboratorul zonal sunt urmatorii:
- conductibilitatea electrica sau inversa acesteia, rezistivitatea electrica,  s = 1/r , masurate cu ajutorul electrometrului,
- constanta dielectrica sau permitivitatea electrica relativa, e , si 
- tangenta unghiului de pierderi dielectrice, tg d, masurate cu spectrometrul dielectric, si 
- rigiditatea dielectrica, D, pentru care inca nu este aparatura.

            Cele mai importante aspecte pentru asigurarea de masuratori corecte, deci si reproductibile, sunt (i) prepararea si istoria probei, si (ii) procedeul de masura, inclusiv aparatura si dispozitivele de utilizat. Primul aspect este legat de proba, prin proba intelegand atat materialul de analizat cat si forma sub care acesta este pus. Al doilea aspect priveste conditiile experimentale necesare de respectat. Cele doua aspecte interfera in ceea ce priveste forma probei intrucat aceasta este determinata atat de caracteristicile materialului de investigat cat si de specificul dispozitivului de masura. Mai mult sau mai putin, prepararea probei si dispozitivul de masura sunt sau trebuiesc standardizate. In acest sens au fost utilizate standarde intocmite sub  autoritatea si aprobate de  American Society for testing and Materials, prescurtat ASTM [1-5].

            De interes sunt materialele solide si uneori cele lichide. Polimerii lichizi sunt rar intalniti. 
            Interesul major este asupra probelor solide, iar pentru acestea prezentam in continuare variante posibile si procedee de preparare/prelucrare in forme cerute de masuratorile de parametrii electrici. Se stie ca forma cea mai indicate este “filmul” cu grosimea de la cativa microni la cateva sute de microni.
     Filme din polimeri si mase plastice.  Este clasa de materiale la care masuratorile nu ridica probleme si, in plus, se poate obtine precizie inalta si reproductibilitate buna. Prepararea probei propriu-zise consta in selectionarea de zone lipsite de defecte, in special fara puncte de strapungere dar cu grosime uniforma.
             Partea mai putin placuta este ca astfel de probe sunt rare si provin de la polimeri  clasici, precum poliolefinele, polistirenul, policlorurile de vinil si de viniliden, unii polimetacrilati, polietilentereftalatul, acetatul de celuloza, si inca altii, cativa. La astfel de materiale, deja bine cunoscute din punct de vedere electric, intrebarile care cer raspuns sunt cele privind puritatea chimica, morfologia, prezenta umiditatii.
     Polimeri solubili, sub forma de pulbere. Forma de pulbere este cel mai des intalnita. Problema este cum sa se realizeze filme din astfel de materiale. Se dispune in prezent de doua instalatii, fiecare cu procedeul ei.
            (i) Obtinerea de filme in cantitati relativ mari. Aceasta implica o mini-instalatie pentru depunere continua din solutie. O astfel de instalatie a fost initial destinata experimetarii obtinerii de fotorezisti peliculari, dar este perfect utilizabila pentru multi polimeri usor solubili. Se pot obtine filme cu latimea de 20 cm, lungimea de cativa metri si grosimea 50-100 microni. Functie de grosime si rezistenta mecanica, filmele respective pot fi obtinute chiar libere de suportul pe care a fost depusa solutia de polimer.
            (ii) Obtinerea de filme pe support prin centrifugare. E vorba de probe cu dimensiunea cea mai mare de aproximativ 100 mm si grosimi submicronice si chiar nanometrice. In acest sens a fost achizitionata instalatia “spin coater” prezentata in sectiunea anterioara.
     Polimeri insolubili, sub forma de pulbere. Aceste materiale sunt dificil de analizat. Nu pot fi procesate sub forma de film, dar in unele cazuri, functie de structura chimica si gradul de reticulare, se pot obtine placute cu grosimea de 1-3 mm, prin presare si vidare. Datele obtinute pe astfel de placute, care nu pot fi prea mari datorita coeziunii reduse, au un grad ridicat de nereproductibilitate si imprecizie datorita compactarii incomplete. In cazul acestor materiale s-ar prefera ca reactiile care ii insolubilizeaza sa se faca dupa de produsul intermediar a fost pus sub forma de placa cu fete plane sau chiar de film.  Este cazul, de exemplu, al poliimidelor aromatice, care se prelucreaza sub forma de filme din faza premergatoare imidizarii.
     Materiale rezultate prin polimerizare in masa in volumul unei matrite.. Astfel de materiale pot fi prelucrate prin procedee pur mecanice (aschiere, strunjire, taiere, slefuire, etc) sub forma de placi cu fete plan-paralele. Pe astfel de forme pot fi facute masuratori electrice mai de incredere decat cele facute pe placute presate.