IM21 SPEKTROSKOPIA ODBICIOWA ŚWIATŁA BIAŁEGO Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z metodą pomiaru grubości cienkich warstw za pomocą interferometrii odbiciowej światła białego, zbadanie zjawiska pęcznienia warstw polimerowych w atmosferze rozpuszczalnika wyznaczenie parametru oddziaływania polimeru z rozpuszczalnikiem Plan pracy: Złożenie układu doświadczalnego Pomiar grubości warstw testowych Pomiar grubości warstwy SiO 2 na krzemie Pomiar grubości warstwy polimeru PEO dla różnych wilgotności Zagadnienia wstępne: Droga optyczna światła Prawo załamania i odbicia światła na granicy dwóch ośrodków Zjawisko interferencji 1
Interferometria odbiciowa światła białego Jeżeli światło pada na granicę między dwoma ośrodkami o różnych współczynnikach załamania n 1 i n 2 ulega ono załamaniu i częściowemu odbiciu, jak pokazano na rysunku 1. Amplituda światła przechodzącego przez powierzchnię t oraz natężenie światła odbitego r są równe: t = 0 *t r = 0 *r (1a) (1b) gdzie 0 to natężenie światła padającego, a t i r to odpowiednio współczynnik transmisji oraz odbicia. n n 1 2 0 r t Rysunek 1. Odbicie i załamanie światła na granicy dwóch ośrodków. Zależności współczynników r i t od n 1 i n 2, od kątów i oraz polaryzacji światła dane są wzorami Fresnela: Gdzie, indeks s odnosi się do polaryzacji równoległej do powierzchni rozdzielającej obszary o współczynnikach załamania n 1 i n 2, a indeks p odnosi się do polaryzacji prostopadłej do s. W przypadku gdy światło pada na układ wielowarstwowy, jak na rysunku 2, na wewnętrznych powierzchniach między ośrodkami o różnych współczynnikach załamania obserwujemy zjawisko wielokrotnego odbicia. W takim przypadku możemy wyliczyć efektywne współczynniki Fresnela, (2a) (2b) (2c) (2d) 2
korzystając z metody Abelesa, a całkowity współczynnik odbicia dla układu trójwarstwowego dany jest równaniem: (3) Gdzie d i oraz n i to odpowiednio grubości oraz współczynniki załamania dla poszczególnych warstw. Rysunek 2 Odbicie światła na granicach między trzema warstwami o różnych współczynnikach załamania Z równania 3 wynika silna zależność natężenia światła odbitego w funkcji długości fali w przypadku odbicia od powierzchni układu wielowarstwowego. Jakościowo, zjawisko opisane tym równaniem obserwujemy np. 3
w postaci kolorowych efektów na błonach baniek mydlanych czy plam benzyny rozlanych na kałużach. Ilościowa analiza zależności natężenia światła odbitego od powierzchni złożonej z kilku warstw o różnych współczynnikach załamania w funkcji jego długości pozwala na wyznaczenie grubości poszczególnych warstw. Pomiaru grubość warstw można dokonać za pomocą układu przedstawionego na rysunku 3. W układzie tym światło z lampy halogenowej oświetla próbkę poprzez szereg światłowodów, które znajdują się w sondzie. W tej samej sondzie znajduje się światłowód zbierający światło odbite od badanej powierzchni, które następnie wprowadzane jest do spektrometru z linijką CCD. Przykład zarejestrowanego widma światła odbitego od powierzchni polimerowej nałożonej na warstwę tlenku krzemu pokazany jest na rysunku 4. Na rysunku tym dodatkowo zaznaczono wynik dopasowania równania 3 do danych eksperymentalnych (linia czerwona). Rysunek 3. Schemat układu pomiarowego 4
Rysunek 4. Przykład zależności natężenia światła odbitego od powierzchni tlenku krzemu pokrytego warstwą polimerową, czerwoną linią zaznaczono dopasowanie równania 3. Pęcznienie warstw polimerowych pod wpływem par rozpuszczalnika Jeżeli umieścimy cienką warstwę polimerową w atmosferze bogatej w pary rozpuszczalnika to możemy zaobserwować zmiany jej grubości. Zmiany te spowodowane są wchłanianiem lub oddawaniem cząsteczek rozpuszczalnika przez materiał polimerowy. Wraz ze wzrostem koncentracji par rozpuszczalnika w atmosferze nad warstwą następuje jej pęcznienie. Zgodnie z teorią roztworów regularnych zachodzi relacja między ciśnieniem par rozpuszczalnika w atmosferze a koncentracją polimeru w warstwie: Gdzie p SAT, oznacza ciśnienie pary nasyconej rozpuszczalnika, v R i v P są objętościami molowymi cząstek rozpuszczalnika i polimeru, P oznacza koncentrację polimeru w warstwie równą: (4) (5) R to koncentracja rozpuszczalnika w warstwie. Zakładając, ze v r <<v p równanie (4) możemy zapisać: 5
(6) Za pomocą interferometru odbiciowego światła białego można badać precyzyjnie zmiany grubości warstwy polimerowej na skutek wchłaniania par rozpuszczalnika i wykorzystując relację (6) wyznaczyć parametr oddziaływania W czasie ćwiczenia należy zbadać zależność zmiany grubości warstw poli(tlenku etylenu ) od wilgotności i wyznaczyć parametr oddziaływania między segmentami polimeru a cząsteczkami wody. Wilgotność w objętości niewielkiego pudełka, w którym znajduje się próbka można precyzyjnie regulować za pomocą układu dwóch rotametrów sterujących przepływem suchego gazu (azotu). Gaz przechodzący przez jeden z rotametrów kierowany jest bezpośrednio do miksera gdzie miesza się z gazem przechodzącym przez wodę w płuczce Drechslera. Gaz przechodzący przez wodę zawiera parę wodną. Dobierając przepływ gazu przez oba rotametry można regulować wilgotność w obszarze próbki. Wilgotność wyznacza się za pomocą higrometru elektronicznego. 6