مقدمة
طوّر المعهد الوطني الياباني للعلوم والتكنولوجيا الصناعية المتقدمة (AIST) تقنية قياس تسمى "طريقة الانعكاس الحراري الحراري بالتسخين الضوئي النبضي"، وهي نسخة أسرع من طريقة الوميض الليزري، ونجحت بالتالي في قياس الخواص الفيزيائية الحرارية للأغشية الرقيقة متقدمة بذلك على شركات أخرى في العالم.
إن طريقة الانعكاس الحراري بالتسخين الضوئي النبضي النبضي، وهي إحدى طرق الانعكاس الحراري بالمجال الزمني (TDTR)، هي تقنية يتم فيها تسخين طبقة رقيقة مكونة على ركيزة بشكل فوري عن طريق تشعيعها بالليزر النبضي البيكو ثانية أو النانو ثانية، ويتم قياس التغير في درجة الحرارة بسرعة عالية بسبب الانتشار الحراري بعد التسخين عن طريق التغير في شدة ضوء الليزر المنعكس لقياس درجة الحرارة.
التدفئة الخلفية/التدفئة الأمامية مقابل التدفئة الأمامية/التدفئة الأمامية
هناك نوعان من هذه الطريقة: الترتيب الذي يتم فيه تسخين العينة من جانب الركيزة الشفافة (في حالة الأشعة تحت الحمراء، يكون Si أيضًا ركيزة شفافة) ويتم قياس ارتفاع درجة حرارة سطح العينة (وضع التسخين الخلفي/الكشف الأمامي (RF)، الشكل 1ب)، والترتيب الذي يتم فيه تسخين سطح العينة وقياس ارتفاع درجة الحرارة في نفس الموقع على سطح العينة (وضع التسخين الأمامي/الكشف الأمامي (FF)، الشكل 1أ).
من حيث المبدأ، يتطابق وضع التردد اللاسلكي مع طريقة وميض الليزر، وهي طريقة قياس الانتشار الحراري القياسية للمواد السائبة، وتتميز بموثوقية كمية ممتازة. على عكس وضع الترددات اللاسلكية، يمكن لوضع FF قياس الأغشية الرقيقة على ركائز غير شفافة وهو مهم كأسلوب قياس عملي.
منذ اكتشاف البوليمرات الموصلة (البولي أسيتيلين المخدر) من قبل الحائزين على جائزة نوبل H. Shirakawa وA.J. Heeger وA.G. MacDiarmid [1]، تم تطويرها على نطاق واسع واستخدامها في منتجات مختلفة مثل الأفلام المضادة للكهرباء الساكنة والمكثفات الإلكتروليتية الصلبة وEL العضوية*. وفي الآونة الأخيرة، انصب التركيز بشكل أكبر على تطوير الترانزستورات العضوية والمواد العضوية الكهروحرارية الإلكترونية، ومن المتوقع أن يتحول البولي (3،4-إيثيلين ديوكسي إيثوفين) بوليستايرين سلفونات البوليسترين (PEDOT: PSS) إلى مادة واعدة لهذا التطبيق.
يتم تمثيل كفاءة المواد الكهروحرارية الحرارية من خلال رقم الجدارة بلا أبعاد، ZT. ويعبّر عن رقم الجدارة بلا أبعاد، ZT، بالرمز ZT=S2T/(ρ-κ-) حيث S(V/K) هو معامل السيبيك، وρ(Ω-م) هو المقاومة الكهربائية، و(W/(m-K) هو التوصيل الحراري، وT(K) هو درجة الحرارة المطلقة.
*EL العضوية: الإنارة الكهربائية العضوية
في هذا المثال، تم قياس الانتشار الحراري لطبقة رقيقة من PEDOT: PSS (70 نانومتر) عن طريق NanoTR الشكل 2). تم تشكيل العينة على ركيزة زجاجية من الكوارتز يبلغ قطرها 0.5 مم عن طريق الطلاء بالدوران، وتم وضعها بين طبقات Al.
التحليل
يتم ملاءمة منحنيات تاريخ درجة الحرارة مع المعادلة التالية لاستجابة درجة حرارة السطح الأمامي لتسخين السطح الخلفي [2] للحصول على زمن انتشار الحرارة τf.
هنا α هي السعة، و γ هي شدة مصدر الحرارة الافتراضي. ونظرًا لأن المحور الرأسي لمنحنى تاريخ درجة الحرارة نسبي، فإن α هو بارامتر اعتباطي يتم تحديده من خلال تركيب المنحنى.
يتم تحديد γ بواسطة الانصبابية الحرارية بين الطبقة الرقيقة والركيزة، وتتراوح بين -1 و1. عندما تكون الانصبابية الحرارية للركيزة صغيرة للغاية ويمكن اعتبار الطبقة الرقيقة معزولة حراريًا، فإن γ = 1. عندما تكون الاندفاعية الحرارية للفيلم والركيزة متساوية (بما في ذلك عندما يكون الفيلم والركيزة متساويين وشبه متناهيين)، γ = 0. عندما تكون الاندفاعية الحرارية للركيزة كبيرة للغاية وتكون الواجهة بين الفيلم والركيزة متساوية الحرارة، γ=1.
بالنسبة للأغشية متعددة الطبقات، يعتمد تحليل الانتشار الحراري على منحنيات تاريخ درجة الحرارة باستخدام أزمنة الانتشار الحراري المساحي* الشكل 3 [3].
ووفقًا لتحليل زمن الانتشار الحراري المساحي بما في ذلك المقاومة الحرارية البينية بين الطبقات، بالنسبة لفيلم من ثلاث طبقات، فإن زمن الانتشار الحراري المساحي A يعطى بالمعادلة (3).
C: السعة الحرارية الحجمية (حاصل ضرب السعة الحرارية النوعية والكثافة)
d: سُمك الفيلم، k: الانتشار الحراري، R: المقاومة الحرارية البينية، يشير الحرفان الفرعيان Z وM إلى طبقة الموضوع وطبقة Mo على كلا الجانبين
عندما تكون الطبقة الخاضعة Z محصورة بين طبقات Mo في فيلم ثلاثي الطبقات ويتم قياسها باستخدام وضع الترددات اللاسلكية، فإن الانتشار الحراري kZ للطبقة Z والمقاومة الحرارية البينية RZ-M بين الطبقة Z وطبقات Mo كلاهما قيمتان مجهولتان.
يتم تحديد هاتين القيمتين بقياس أزمنة انتشار الحرارة τf (يتم تحديد أزمنة الانتشار الحراري المساحي من هذه القيم) لأغشية متعددة تكون الأغشية الخاضعة لها متماثلة نوعيًا ولكن بسماكات مختلفة. ثم يتم تحديد أزمنة الانتشار الحراري المساحي كدالة للسمك من خلال تركيب المعادلة.
يتم تحديد الموصلية الحرارية λ للفيلم الرقيق الخاضع للدراسة باستخدام المعادلة الموجودة على اليمين.
الجدول 1: نتائج التحليل
العينة الاسم | آل/بيدوت/آل زمن الانتشار الحراري | آل/بيدوت/آل زمن الانتشار الحراري المساحي | البيدوت الانتشار الحراري | البيدوت الموصلية الحرارية |
τf s | Α s | κZ م²/ث | λ واط/(م × كلفن) | |
| بيدوت: PEDOT: PSS | 3.8 x 10-7 | 6.3 x 10-8 | 6.9 x 10-8 | 0.21 |
نتائج الاختبار
يظهر منحنى تاريخ درجة الحرارة في الشكل 4. كما هو موضح في الجدول 1، بتطبيق تحليل ثلاثي الطبقات، تم حساب الانتشار الحراري لطبقة البيدوت على أنه 6.9x10-8م2/ث(0.21 واط/مxK) باستخدام التحليل متعدد الطبقات الموضح من قبل.
الخاتمة
تم قياس الموصلية الحرارية لطبقة PEDOT: PSS الرقيقة بواسطة NanoTR في وضع الترددات اللاسلكية.
خاصة بالنسبة لقياس الأغشية الرقيقة العضوية، يجب تقليل خطر التلف الحراري للأغشية الرقيقة الناجم عن التسخين النبضي.
في حالة NanoTR، يتم الحصول على منحنى تاريخ درجة الحرارة كجمع لكل نتيجة (عادةً 10000 مرة في الدقيقة) للتسخين الضوئي النبضي الدوري. تبلغ طاقة النبضة الفعلية عدة نانو جول فقط ولا تسبب أي ضرر حراري للعينة.
بالنسبة لقياس الأغشية الرقيقة بواسطة NanoTR، يتميز التسخين الضوئي النبضي الدوري بميزة كبيرة على أنظمة TDTR الأخرى المتاحة تجاريًا، والتي تعتمد على التسخين بنبضة واحدة مع طاقة نبضية عالية.