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.
Jedinečnou vlastností TDTR vyvinutého v AIST je jeho široký časový rozsah pozorování až 50 ns prostřednictvím unikátního elektrického zpožďovacího systému, zatímco většina systémů TDTR používá optický zpožďovací systém schopný pozorovat jevy pouze do 10 ns; to uživatele nutí pokaždé provádět velmi náročné optické nastavení.
Zadní topení/přední topení versus přední topení/přední topeníDetekce
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. 1a), 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. 1b).
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 RF režimu může FF režim měřit tenké vrstvy na neprůhledných substrátech a je důležitý jako praktická měřicí technika.
V tomto příkladu byla na principu TDTR měřena diamantová vrstva o tloušťce 4 μm pomocí PicoTR (obr. 2).
Diamantová vrstva se vyznačuje bezkonkurenčně vysokou tepelnou vodivostí, což je slibné pro implementaci do výkonových zařízení s vysokou hustotou proudu, jako jsou rozvaděče tepla.
Vzorek byl vyroben na bezalkalickém skle o tloušťce 1 mm. Na diamantový povrch byla naprašována 100 nm silná vrstva Mo.
Klíčovým bodem tohoto měření bylo určit, zda je povrch hladký, či nikoliv. Pokud je povrch drsný, laser sondy se rozptyluje a odražené světlo nelze detekovat. Jak ukazuje obrázek 3, přestože je povrch diamantové vrstvy poněkud drsný, bylo možné dosáhnout dobrého odstupu S/N tepelného odrazového signálu.
Výsledky měření
Měření bylo provedeno v režimu FF a analyzováno pomocí softwaru PicoTR Thermal Simulator (tabulka 1). Na základě třívrstvé analýzy byla 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 diamantové vrstvy vypočtena na 90 W/(m-K) a tepelný odpor rozhraní mezi vrstvami Mo a diamantu byl stanoven na 6,0x10-9m2-K/W.
Dobu šíření tepla diamantovou vrstvou lze odhadnout na 200 ns podle rovnice:
Doba difúze tepla = (tloušťka)2/(tepelná difúzivita)
což představuje dobu chlazení této vrstvy.
Tabulka 1: Výsledky analýzy
Vzorek název | Mo/Diamant Mezifázový tepelný odpor Rm-f m²-K/W | Diamant Tepelná účinnost bf J/(m²-s0,5-K) | Diamant λf W/(m-K) | Diamant/sklo Mezifázový tepelný odpor Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Diamant | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
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 diamantové vrstvy o tloušťce 4 μm na skleněném podkladu byla měřena pomocí PicoTR.
Jak je vidět na obrázku 4, získaná 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 je 1/10 literární hodnoty pro objemový materiál diamantu. To lze očekávat v důsledku rozptylu fononů mezi hranicemi zrn diamantu nebo nedokonalé struktury. Tento příklad ukazuje důležitost měření tenkých vrstev pro přesný tepelný návrh elektrických zařízení.
Vzhledem k vysoké tepelné vodivosti diamantu lze tento vzorek měřit pouze v režimu FF PicoTR.
Při měření diamantových vrstev pomocí přístroje NanoTR, který pokrývá obě strany diamantové vrstvy molybdenem, je možné použít metodu RF.
