Identification of anelastic and viscoelastic dissipation mechanisms in at-cut guartz resonators and thin polymer films with high frequency impedance spectroscopy and the differential evolution metaheuristic

Abstract

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/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 were calculated through data fitting of the experimentally acquired frequency/admittance spectra with the transmission line model. Data analysis was undertaken with the classic version of the Differential Evolution (DE) algorithm, equipped with a module for computing 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 film 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, due to the non-isothermal crystallization of the PLLA during the repeated temperature ramps.

Η 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 λεπτά υμένια από το ημι-κρυσταλλικό πολυμερές πολυ(L-γαλακτικό οξύ) (PLLA). Μελετήθηκε η ηλεκτρική απόκριση (συχνότητα/σύνθετη αγωγιμότητα) μιας σειράς από ακουστικούς αισθητήρες QCM χαλαζία, κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων θερμάνσεων (ατμόσφαιρα αζώτου, ατμοσφαιρική πίεση), για το εύρος θερμοκρασιών 20 οC έως 150 oC. Η ηλεκτρική απόκριση μετρήθηκε με την μέθοδο της φασματοσκοπίας σύνθετης αντίστασης υψηλών συχνοτήτων και υπολογίστηκαν οι «ενεργές» ιδιότητες κάθε αισθητήρα QCM. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια του μοντέλου «γραμμής μετάδοσης» (transmission line model). Η προσαρμογή και ο υπολογισμός των σφαλμάτων προσαρμογής, επιτεύχθηκαν με τη βοήθεια του αλγόριθμου βελτιστοποίησης Διαφορικής Εξέλιξης (ΔΕ) (Differential Evolution). Η συζήτηση των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε υπό το φως των εσωτερικών και εξωτερικών μηχανισμών απόσβεσης της ταλάντωσης των αισθητήρων QCM. 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. 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.