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.
وطريقة الانعكاس الحراري بالتسخين بالضوء النبضي وهي إحدى طرق الانعكاس الحراري بالمجال الزمني (TDTR)، وهي 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.
الميزة الفريدة لجهاز TDTR الذي طورته AIST هو النطاق الزمني الواسع للمراقبة الذي يصل إلى 50 نانوثانية عبر نظام تأخير كهربائي فريد من نوعه، في حين أن معظم أنظمة TDTR تستخدم نظام تأخير بصري قادر على مراقبة الظواهر لمدة تصل إلى 10 نانوثانية فقط؛ وهذا يُلزم المستخدم بإجراء تعديل بصري صعب للغاية في كل مرة.
التدفئة الخلفية/التدفئة الأمامية مقابل التدفئة الأمامية/التدفئة الأماميةالكشف
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 1أ)، والترتيب الذي يتم فيه تسخين سطح العينة وقياس ارتفاع درجة الحرارة في نفس الموقع على سطح العينة (وضع التسخين الأمامي/الكشف الأمامي (FF)، الشكل 1ب).
من حيث المبدأ، يتطابق وضع التردد اللاسلكي مع طريقة وميض الليزر، وهي طريقة قياس الانتشار الحراري القياسية للمواد السائبة، وتتميز بموثوقية كمية ممتازة. وخلافًا لوضع الترددات اللاسلكية، يمكن لوضع FF قياس الأغشية الرقيقة على ركائز غير شفافة وهو مهم كأسلوب قياس عملي.
في هذا المثال، تم قياس غشاء ماسي بسماكة 4 ميكرومتر عن طريق PicoTR (الشكل 2) استنادًا إلى مبدأ TDTR.
ويتميز فيلم الماس بموصلية حرارية عالية لا مثيل لها، وهو أمر واعد للتنفيذ في أجهزة الطاقة عالية الكثافة الحالية مثل موزعات الحرارة.
تم تصنيع العينة على زجاج خالٍ من القلويات بسماكة 1 مم. تم رش طبقة من الميثامفيتامين بسمك 100 نانومتر على سطح الماس.
كانت النقطة الأساسية في هذا القياس هي تحديد ما إذا كان السطح أملس أم لا. فإذا كان السطح خشنًا، يتشتت ليزر المسبار ولا يمكن رصد الضوء المنعكس. كما هو موضح في الشكل 3، على الرغم من أن سطح طبقة الماس خشن بعض الشيء، كان من الممكن تحقيق إشارة انعكاس حراري جيدة S/N.
نتائج القياس
تم إجراء القياس في وضع FF وتحليله باستخدام برنامج المحاكاة الحرارية PicoTR (الجدول 1). ومن تحليل الطبقات الثلاث، حُسبت الموصلية الحرارية لطبقة الماس على أنها 90 واط/(م-ك)، وحُددت المقاومة الحرارية للواجهة بين طبقتَي الماس والمو مو ب 6.0x10-9م2-ك/و.
ويمكن تقدير زمن انتشار الحرارة في طبقة الماس بـ 200 نانو ثانية بمعادلة
زمن الانتشار الحراري = (السماكة)2/(الانتشار الحراري)
وهو ما يمثل زمن التبريد لهذه الطبقة.
الجدول 1: نتائج التحليل
العينة اسم العينة | مو / الماس المقاومة الحرارية البينية Rm-f م²-ك/و | الماس الانصبابية الحرارية ب ف جول/(م²- 0.5 - كلفن) | الماس الموصلية الحرارية λf واط/(م-ك) | الماس/الزجاج المقاومة الحرارية البينية Rf-s م²-ك/ث |
|---|---|---|---|---|
ألماس | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
الخاتمة
تم قياس الموصلية الحرارية لفيلم من الماس بسماكة 4 ميكرومتر على ركيزة زجاجية عن طريق PicoTR.
وكما يتبين من الشكل 4، تبلغ الموصلية الحرارية التي تم الحصول عليها 1/10 من القيمة الأدبية للمادة السائبة من الماس. وهذا أمر متوقع بسبب تشتت الفونونات بين حدود حبيبات الماس أو البنية غير الكاملة. يوضح هذا المثال أهمية قياس الأغشية الرقيقة للتصميم الحراري الدقيق للأجهزة الكهربائية.
ونظرًا لارتفاع الموصلية الحرارية للماس، لا يمكن قياس هذه العينة إلا في وضع FF PicoTR.
عند قياس أغشية الماس باستخدام NanoTR ، فإن طلاء جانبي طبقة الماس بالموليبدينوم يجعل من الممكن استخدام طريقة الترددات اللاسلكية.
