Въведение
Японският национален институт за напреднали индустриални науки и технологии (AIST) е разработил техника за измерване, наречена "метод на терморефлексията при нагряване с импулсна светлина", която е по-бърза версия на метода на лазерната светкавица, и по този начин е успял да измери термофизичните свойства на тънки филми преди други компании в света.
Методът за терморефлексно нагряване с импулсна светлина, един от методите за терморефлексно нагряване с времеви домейн (TDTR), е техника, при която тънък филм, образуван върху подложка, се нагрява мигновено чрез облъчване с пикосекунден или наносекунден импулсен лазер, а високоскоростната промяна на температурата, дължаща се на термична дифузия след нагряването, се измерва чрез отразената промяна на интензитета на лазерната светлина за измерване на температурата.
Задно отопление/предно отопление срещу предно отопление/предно откриване на
Този метод има два вида: Режим, при който пробата се нагрява от страната на прозрачния субстрат (в случай на инфрачервена светлина Si също е прозрачен субстрат) и се измерва повишаването на температурата на повърхността на пробата (режим "Задно нагряване/предно откриване (RF)", фиг. 1б), и режим, при който повърхността на пробата се нагрява и се измерва повишаването на температурата на същото място на повърхността на пробата (режим "Предно нагряване/предно откриване (FF)", фиг. 1а).
По принцип режимът RF е идентичен с метода на лазерната светкавица, който е стандартният метод за измерване на топлинната дифузия на насипни материали, и се характеризира с отлична количествена надеждност. За разлика от RF режима, FF режимът може да измерва тънки филми върху непрозрачни субстрати и е важен като практическа измервателна техника.
След откриването на проводящите полимери (легиран полиацетилен) от Нобеловите лауреати H. Shirakawa, A. J. Heeger и A.G. MacDiarmid [1], те са широко разработени и се използват в различни продукти, като антистатични филми, твърди електролитни кондензатори и органични EL*. Напоследък вниманието е насочено повече към разработването на органични транзистори и органични термоелектронни материали и се очаква поли (3,4-етилендиокситиофен) полистирен сулфонат (PEDOT: PSS) да се окаже обещаващ материал за това приложение.
Ефективността на термоелектричните материали се представя чрез безразмерната стойност на показателя ZT. Безразмерният коефициент на полезно действие, ZT, се изразява с ZT=S2T/(ρ-κ), където S(V/K) е коефициентът на Сибек, ρ(Ω-m) е електрическото съпротивление, κ(W/(m-K)) е топлопроводността, а T(K) е абсолютната температура.
*Органичен EL: органичен електролуминесцентен
В този пример топлинната дифузия на PEDOT: PSS (70 nm) беше измерена чрез NanoTR фигура 2). Образецът е формиран върху подложка от кварцово стъкло с дебелина 0,5 mm чрез спин-покритие и е поставен между слоеве Al.
Анализ
Кривите на температурната история се напасват със следното уравнение за температурната реакция на предната повърхност към нагряването на задната повърхност [2], за да се получи времето за дифузия на топлина τf.
Тук α е амплитудата, а γ е интензивността на виртуален източник на топлина. Тъй като вертикалната ос на кривата на температурната история е относителна, α е произволен параметър, който се определя чрез напасване на кривата.
γ се определя от коефициента на топлоотдаване между тънкия филм и подложката и варира между -1 и 1. Когато коефициентът на топлоотдаване на подложката е изключително висок small и тънкият филм може да се разглежда като термично изолиран, γ=1. Когато коефициентът на топлоотдаване на филма и субстрата е равен (включително когато филмът и субстратът са равни и полубезкрайни), γ = 0. Когато коефициентът на топлоотдаване на субстрата е изключително large и границата между филма и субстрата е изотермична, γ = 1.
При многослойните филми анализът на топлинната дифузия се основава на кривите на температурната история, като се използват времената на топлинна дифузия* фигура 3 [3].
Съгласно анализа на времето за ареалното разпространение на топлината и с отчитане на междуфазовото термично съпротивление между слоевете, за трислоен филм времето за ареалното разпространение на топлината A се определя от уравнение (3).
C: обемен топлинен капацитет (произведение от специфичния топлинен капацитет и плътността)
d: дебелина на филма, k: коефициент на топлопроводност, R: междуфазово топлинно съпротивление, буквите Z и M се отнасят за предметния слой и слоя Mo от двете страни
Когато предметният слой Z е поставен между слоевете Mo в трислоен филм и се измерва с помощта на радиочестотния режим, термичната дифузия kZ на слоя Z и междуфазовото термично съпротивление RZ-M между слоя Z и слоевете Mo са неизвестни стойности.
Тези стойности се определят чрез измерване на времената на топлинна дифузия τf (площните времена на топлинна дифузия се определят въз основа на тези стойности) за множество филми, за които въпросните филми са качествено еднакви, но имат различни дебелини. След това се определя площното време на дифузия на топлина като функция на дебелината, като се съпоставя с уравнението.
Коефициентът на топлопроводност λ на разглеждания тънък филм се определя с помощта на уравнението вдясно.
Таблица 1: Резултати от анализа
Проба име | Al/PEDOT/Al Време за дифузия на топлина | Al/PEDOT/Al Време за дифузия на топлина | PEDOT Топлинна дифузия | PEDOT Топлинна проводимост |
τf s | Α s | κZ m²/s | λ W/(m x K) | |
| PEDOT:PSS | 3.8 x 10-7 | 6.3 x 10-8 | 6.9 x 10-8 | 0.21 |
Резултати от тестовете
Кривата на температурния ход е показана на фигура 4. Както е показано в таблица 1, чрез прилагане на трислойния анализ топлинната дифузия на слоя PEDOT е изчислена на 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK), като се използва многослойният анализ, описан преди това.
Заключение
Топлопроводимостта на PEDOT: PSS е измерена чрез NanoTR в радиочестотен режим.
Особено при измерването на органични тънки филми рискът от термично увреждане на тънкия филм, причинено от импулсно нагряване, трябва да бъде сведен до минимум.
В случая на NanoTR, кривата на температурната история се получава като сума от всеки резултат (обикновено 10 000 пъти в рамките на една минута) за периодичното импулсно нагряване. Действителната енергия на импулса е само няколко nJ и не причинява термични повреди на образеца.
За измерване на тънки слоеве чрез NanoTR, периодичното импулсно светлинно нагряване има голямо предимство пред други налични в търговската мрежа системи за TDTR, които се основават на едноимпулсно нагряване с висока енергия на импулса.