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.
Уникалната характеристика на TDTR, разработена от AIST, е широкият времеви диапазон на наблюдение до 50 ns чрез уникална електрическа система за забавяне, докато повечето TDTR системи използват оптична система за забавяне, способна да наблюдава явленията само до 10 ns; това задължава потребителя да извършва много трудна оптична настройка всеки път.
Задно отопление/предно отопление в сравнение с предно отопление/предно отоплениеОткриване
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)", фигура 1а), 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)", фигура 1б).
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 отличава 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.
В този пример диамантен филм с дебелина 4 μm е измерен чрез PicoTR (фигура 2) на принципа на TDTR.
Диамантеният филм се отличава с несравнимо висока топлопроводимост, което е обещаващо за приложение в енергийни устройства с висока плътност на тока, като например топлоразпределители.
Образецът е изработен върху безалкално стъкло с дебелина 1 mm. Върху диамантената повърхност е разпръснат филм от Mo с дебелина 100 nm.
Ключовият момент на това измерване беше да се определи дали повърхността е гладка или не. Ако повърхността е грапава, лазерът на сондата се разсейва и отразената светлина не може да бъде засечена. Както е показано на фигура 3, въпреки че повърхността на диамантения филм е малко грапава, беше възможно да се постигне добър сигнал на термично отражение S/N.
Резултати от измерването
Измерването е извършено в режим FF и е анализирано със софтуера PicoTR Thermal Simulator (таблица 1). От трислойния анализ коефициентът на топлопроводност на диамантения слой беше изчислен на 90 W/(m-K), а термичното съпротивление на интерфейса между слоевете Mo и диамант беше определено на 6,0x10-9m2-K/W.
Времето за дифузия на топлина в диамантения филм може да се оцени на 200 ns по уравнението:
Време за дифузия на топлина = (дебелина)2/(термична дифузия)
което представлява времето за охлаждане на този слой.
Таблица 1: Резултати от анализа
Проба име | Мо/диамант Междуфазово термично съпротивление Rm-f m²-K/W | Диамант Топлинна ефиктивност bf J/(m²-s0.5-K) | Диамант Топлопроводимост λf W/(m-K) | Диамант/стъкло Междуфазово термично съпротивление Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Диамант | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
Заключение
Топлопроводимостта на диамантен филм с дебелина 4 μm върху стъклена подложка е измерена с помощта на PicoTR.
Както може да се види на фигура 4, получената топлопроводимост е 1/10 от литературната стойност за обемен материал от диамант. Това се очаква поради разсейването на фононите между границите на зърната на диаманта или несъвършената структура. Този пример показва значението на измерването на тънкия филм за точния термичен дизайн на електрически устройства.
Поради високата топлопроводимост на диаманта този образец може да бъде измерен само в режим FF на PicoTR.
При измерване на диамантени филми с NanoTR, покриването на двете страни на диамантения слой с молибден дава възможност да се използва RF методът.
