Identification of anelastic and viscoelastic dissipation mechanisms in AT-cut quartz resonators and thin polymer films with high frequency impedance spectroscopy and the Differential Evolution metahe:
Creators: name: Κακαλής, Αθανάσιος Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Μικροζυγός κρυστάλλου χαλαζία
Μεπτά υμένια πολυμερών
Πολυ(L-γαλακτικό οξύ)
Διαφορική Εξέλιξη
Quartz crystal microbalance
Thin polymer films
Poly(L-lactic acid)
Differential Evolution

description: Η παρούσα διατριβή σχετίζεται με την μελέτη ανελαστικών και ιξωδοελαστικών φαινομένων σε αισθητήρες QCM οι οποίοι είτε δεν φέρουν επικάλυψη κάποιου συνεχούς μέσου, είτε είναι επικαλυμμένοι με ιξωδοελαστικά υμένια πεπερασμένου πάχους παρασκευασμένα από το πολυμερές πολυ(L-γαλακτικό οξύ) (PLLA), έναν ημι-κρυσταλλικό αλιφατικό πολυεστέρα. Μελετήθηκε η ηλεκτρική απόκριση (συχνότητα/σύνθετη αγωγιμότητα) μιας σειράς από ακουστικούς αισθητήρες QCM χαλαζία, κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων θερμάνσεων σε ατμόσφαιρα αζώτου και ατμοσφαιρική πίεση, για το εύρος θερμοκρασιών 20 οC έως 150 oC. Από την ηλεκτρική απόκριση, η οποία μετρήθηκε με την μέθοδο της φασματοσκοπίας σύνθετης αντίστασης υψηλών συχνοτήτων, υπολογίστηκαν οι «ενεργές» ιδιότητες κάθε αισθητήρα QCM. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια του μοντέλου «γραμμής μετάδοσης» (transmission line model). Η προσαρμογή επιτεύχθηκε με τη βοήθεια του αλγόριθμου βελτιστοποίησης Διαφορικής Εξέλιξης (ΔΕ) (Differential Evolution), από τον οποίο υπολογίστηκαν και όλα τα σφάλματα προσαρμογής (fitting error). Η συζήτηση των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε υπό το φως των εσωτερικών και εξωτερικών μηχανισμών απόσβεσης της ταλάντωσης των αισθητήρων QCM. Οι παρατηρούμενες αποσβέσεις στην ταλάντωση των αισθητήρων QCM επηρέασαν τα αποτελέσματα της ενεργού επιφάνειας ταλάντωσης και οι μεταβολές εξηγήθηκαν επίσης, με βάση θεωρητική συσχέτιση που έχει προκύψει από τη θεωρία των ισοδυνάμων κυκλωμάτων. Στη συνέχεια, η φασματοσκοπία σύνθετης αντίστασης υψηλών συχνοτήτων χρησιμοποιήθηκε για την μελέτη της ηλεκτρικής απόκρισης αισθητήρα QCM ο οποίος επικαλύφθηκε με λεπτά υμένια PLLA, είτε με εναπόθεση διαλύματος πολυμερούς σε ακίνητο υπόστρωμα (solution casting), είτε με εναπόθεση διαλύματος πολυμερούς σε περιστρεφόμενο υπόστρωμα (spin coating). Τα υμένια της πρώτης τεχνικής επικάλυψης, υπέστησαν θερμική ανόπτηση σε θερμοκρασία κάτω του Tg (52.5 oC) για 24 hr υπό κενό, ενώ το υμένιο της τεχνικής “spin coating” σε θερμοκρασία πάνω από το Τg για 24 hr υπό κενό. Οι θερμάνσεις έλαβαν χώρα μεταξύ 25 oC και 115 oC (μια για κάθε υμένιο που πραγματοποιήθηκε με solution casting και τρεις διαδοχικές για το υμένιο που υλοποιήθηκε με spin coating). Παρατηρήθηκε πως η εξασθένιση και η ενίσχυση της στιβαρότητας της προαναφερθείσας διεπιφάνειας, ως αποτέλεσμα της παρουσίας διαλύτη και της αύξησης της κρυσταλλικότητας αντίστοιχα, διαμόρφωσε την ηλεκτρική απόκριση κατά τρόπο επαναλήψιμο.
description: This dissertation details the impact of anelastic and viscoelastic effects on the frequency and the electrical response of quartz TSM sensors, unperturbed or perturbed with thin polymer films made from poly(L-lactic acid) (PLLA), a semicrystalline, biodegradable aliphatic polyester. The frequency and electrical behavior of a series of unperturbed QCM sensors in a nitrogen gas phase at atmospheric pressure, was studied with high frequency impedance analysis, during repeated temperature ramps between 20 oC and 150 oC. The quartz effective properties – viscosity, oscillation area and external capacitance – were calculated through data fitting of the experimentally acquired frequency/admittance spectra with the transmission line model and the Butterworth-Van-Dyke (BVD) equivalent circuit. The data analysis was undertaken with the classic version of the Differential Evolution (DE) algorithm, equipped with a module used to compute the joint confidence regions for each optimization parameter. The results were explained on the grounds of different external and internal energy dissipation mechanisms which affect the frequency and the electrical response. The electrical and frequency response of a QCM sensor coated with thin films of poly(L-lactic acid) was studied with high frequency impedance analysis and temperature cycling between 25 and 115 oC. Two film samples were prepared with solution casting, whereas a third sample was realized via spin coating. The two solution cast films were thermally annealed well below the polymer’s glass transition temperature Tg (52.5 oC) for 24 hr under vacuum, whereas the spin coated was thermally annealed at (Tg+20) oC for 24 hr under vacuum. The results were correlated with theoretical studies relating the stiffness of the film/substrate interface to a shift in the sensor’s frequency and electrical response. It was concluded that the film/substrate interface stiffness of the solvent cast films was compromised due to the existence of solvent (chloroform) therein, solvent which was used during the coating process. The spin coated film was subjected to three subsequent temperature ramps. The observed frequency and electrical response were attributed to the enhancement of the film/substrate interface stiffness. The latter was caused by the non-isothermal crystallization of the PLLA during the repeated temperature ramps.