Úvod
Japonský Národní institut pokročilé průmyslové vědy a technologie (AIST) vyvinul měřicí techniku nazvanou "termoreflexní metoda pulzního světelného ohřevu", která je rychlejší verzí metody laserového záblesku, a díky tomu se mu podařilo měřit termofyzikální vlastnosti tenkých vrstev dříve než ostatním společnostem ve světě.
Termoreflexní metoda pulzního světelného ohřevu, jedna z metod TermoreflexeTermoreflexe je metoda pro stanovení tepelné difuzivity a tepelné vodivosti tenkých vrstev o tloušťce v rozmezí nanometrů.termoreflexe v časové doméně (TDTR), je technika, při níž se tenká vrstva vytvořená na substrátu okamžitě ohřeje ozářením pikosekundovým nebo nanosekundovým pulzním laserem a vysokorychlostní změna teploty způsobená tepelnou difuzí po ohřevu se měří pomocí změny intenzity odraženého laserového světla pro měření teploty.
Zadní topení/přední topení versus přední topení/předníDetekce
Existují dva typy této metody: Uspořádání, při kterém je vzorek ohříván ze strany průhledného substrátu (v případě infračerveného světla je Si rovněž průhledným substrátem) a měří se nárůst teploty na povrchu vzorku (režim zadního ohřevu / přední detekce (RF), obr. 1b), a uspořádání, při kterém je ohříván povrch vzorku a měří se nárůst teploty na stejném místě povrchu vzorku (režim předního ohřevu / přední detekce (FF), obr. 1a).
Režim RF je v zásadě totožný s metodou laserového záblesku, která je standardní metodou měření tepelné difuzivity sypkých materiálů, a vyznačuje se vynikající kvantitativní spolehlivostí. Na rozdíl od režimu RF může režim FF měřit tenké vrstvy na neprůhledných substrátech a je důležitý jako praktická měřicí technika.
Od objevu vodivých polymerů (dopovaného polyacetylenu) nositeli Nobelovy ceny H. Shirakawou, A. J. Heegerem a A. G. MacDiarmidem [1] byly tyto polymery intenzivně vyvíjeny a používány v různých výrobcích, jako jsou antistatické filmy, pevné elektrolytické kondenzátory a organické EL*. V poslední době se pozornost zaměřuje spíše na vývoj organických tranzistorů a organických termoelektronických materiálů a očekává se, že poly(3,4- ethylendioxythiofen) polystyren sulfonát (PEDOT: PSS) se ukáže být slibným materiálem pro toto použití.
Účinnost termoelektrických materiálů je reprezentována bezrozměrným měrným číslem ZT. Bezrozměrná hodnota ZT je vyjádřena vztahem ZT=S2T/(ρ-κ), kde S(V/K) je Seebeckův součinitel, ρ(Ω-m) je Elektrický odporElektrický odpor nebo elektrický odpor je základní vlastnost materiálu, která vyjadřuje, jak silně se daný materiál brání průchodu elektrického proudu.elektrický odpor, κ(W/(m-K)) je Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost a T(K) je absolutní teplota.
*Organická EL: organická elektroluminiscenční
V tomto příkladu je Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita PEDOT: PSS (70 nm) byla měřena pomocí NanoTR obr. 2). Vzorek byl vytvořen na podložce z křemenného skla o tloušťce 0,5 mm metodou spin coating a vložen mezi Al vrstvy.
Analýza
Křivky průběhu teploty se dosadí do následující rovnice pro odezvu teploty předního povrchu na ohřev zadního povrchu [2], aby se získala doba šíření tepla τf.
Zde α je amplituda a γ je intenzita virtuálního zdroje tepla. Protože svislá osa křivky průběhu teploty je relativní, je α libovolný parametr, který se určuje fitováním křivky.
hodnota γ je určena tepelnou účinností mezi tenkou vrstvou a substrátem a pohybuje se v rozmezí -1 až 1. Pokud je tepelná účinnost substrátu extrémně vysoká small a tenkou vrstvu lze považovat za tepelně izolovanou, γ=1. Pokud je tepelná účinnost filmu a substrátu stejná (včetně případů, kdy jsou film a substrát stejné a polokonečné), γ = 0. Pokud je tepelná účinnost substrátu extrémně large a rozhraní mezi filmem a substrátem je izotermické, γ = 1.
U vícevrstvých filmů je analýza tepelné difuzivity založena na křivkách průběhu teplot s využitím časů plošné tepelné difúze* obrázek 3 [3].
Podle analýzy areálové doby difúze tepla a při zahrnutí mezifázového tepelného odporu mezi vrstvami je pro třívrstvou fólii areálová doba difúze tepla A dána rovnicí (3).
C: objemová tepelná kapacita (součin měrné tepelné kapacity a hustoty)
d: tloušťka vrstvy, k: Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita, R: mezifázový tepelný odpor, indexy Z a M se vztahují k předmětové vrstvě a vrstvě Mo na obou stranách
Pokud je předmětová vrstva Z umístěna mezi vrstvy Mo v třívrstvém filmu a měřena pomocí RF režimu, jsou Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita kZ vrstvy Z a mezifázový tepelný odpor RZ-M mezi vrstvou Z a vrstvami Mo neznámými hodnotami.
Tyto hodnoty se určí měřením dob tepelné difúze τf (z těchto hodnot se určí plošné doby tepelné difúze) pro více vrstev, u nichž jsou předmětné vrstvy kvalitativně stejné, ale mají různou tloušťku. Plošné doby difúze tepla se pak určí jako funkce tloušťky dosazením do rovnice.
Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost λ předmětné tenké vrstvy se určí pomocí rovnice vpravo.
Tabulka 1: Výsledky analýzy
Vzorek název | Al/PEDOT/Al Doba difúze tepla | Al/PEDOT/Al Plošná doba difúze tepla | PEDOT | PEDOT |
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 |
Výsledky testů
Průběh teploty je znázorněn na obrázku 4. Jak je uvedeno v tabulce 1, při použití třívrstvé analýzy byla Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita vrstvy PEDOT vypočtena jako 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK) s použitím dříve popsané vícevrstvé analýzy.
Závěr
Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost PEDOT: PSS byla měřena pomocí NanoTR v RF režimu.
Zejména při měření organických tenkých vrstev je třeba minimalizovat riziko tepelného poškození tenké vrstvy způsobené pulzním ohřevem.
V případě NanoTR se křivka průběhu teploty získá jako součet jednotlivých výsledků (obvykle 10 000krát za minutu) pro periodický pulzní ohřev světlem. Skutečná energie pulzu je pouze několik nJ a nezpůsobuje žádné tepelné poškození vzorku.
Pro měření tenkých vrstev pomocí NanoTR má periodický pulzní světelný ohřev velkou výhodu oproti jiným komerčně dostupným systémům TDTR, které jsou založeny na jednorázovém pulzním ohřevu s vysokou energií pulzu.