Introduktion
Det japanske National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) har udviklet en måleteknik kaldet "pulsed light heating thermoreflectance method", som er en hurtigere version af laser flash-metoden, og det er dermed lykkedes at måle de termofysiske egenskaber af tynde film før andre virksomheder i verden.
Termoreflektansmetoden med pulserende lysopvarmning, en af TDTR-metoderne (Time Domain Thermoreflectance), er en teknik, hvor en tynd film, der er dannet på et substrat, øjeblikkeligt opvarmes ved at bestråle den med en pikosekund- eller nanosekund-pulserende laser, og den hurtige temperaturændring på grund af termisk diffusion efter opvarmning måles ved den reflekterede intensitetsændring af laserlys til temperaturmåling.
Bageste opvarmning/forreste opvarmning versus forreste opvarmning/forresteDetektion
Der findes to typer af denne metode: Et arrangement, hvor prøven opvarmes fra den gennemsigtige substratside (i tilfælde af infrarødt lys er Si også et gennemsigtigt substrat), og temperaturstigningen på prøveoverfladen måles (Rear heating / Front detection (RF) mode, fig. 1b), og et arrangement, hvor prøveoverfladen opvarmes, og temperaturstigningen på det samme sted på prøveoverfladen måles (Front heating / Front detection (FF) mode, fig. 1a).
I princippet er RF-tilstanden identisk med laserflashmetoden, som er standardmetoden til måling af Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet for bulkmaterialer, og den har en fremragende kvantitativ pålidelighed. I modsætning til RF-metoden kan FF-metoden måle tynde film på uigennemsigtige substrater og er vigtig som en praktisk måleteknik.
Siden Nobelprisvinderne H. Shirakawa, A. J. Heeger og A.G. MacDiarmid opdagede ledende polymerer (dopet polyacetylen) [1], er de blevet udviklet i stor stil og brugt i forskellige produkter som f.eks. antistatiske film, faste elektrolytiske kondensatorer og organisk EL*. På det seneste har der været mere fokus på udviklingen af organiske transistorer og organiske termoelektroniske materialer, og det forventes, at poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrensulfonat (PEDOT:PSS) vil vise sig at være et lovende materiale til denne anvendelse.
Effektiviteten af termoelektriske materialer er repræsenteret ved det dimensionsløse værdital, ZT. Den dimensionsløse værdi, ZT, udtrykkes ved ZT=S2T/(ρ-κ), hvor S(V/K) er Seebeck-koefficienten, ρ(Ω-m) er den elektriske resistivitet, κ(W/(m-K)) er varmeledningsevnen, og T(K) er den absolutte temperatur.
*Organisk EL: organisk elektroluminescerende
I dette eksempel blev den termiske diffusivitet af en PEDOT: PSS-tyndfilm (70 nm) målt ved hjælp af NanoTR figur 2). Prøven blev dannet på et kvartsglassubstrat på 0,5 mm ved hjælp af spin coating og klemt mellem Al-lag.
Analyse
Temperaturhistoriske kurver tilpasses med følgende ligning for forfladens temperaturrespons på bagfladens opvarmning [2] for at opnå varmediffusionstiden τf.
Her er α amplituden, og γ er intensiteten af en virtuel varmekilde. Da den lodrette akse på temperaturhistorikkurven er relativ, er α en vilkårlig parameter, der bestemmes ved kurvetilpasning.
γ bestemmes af den termiske effekt mellem den tynde film og substratet og ligger mellem -1 og 1. Når substratets termiske effekt er ekstremt small, og den tynde film kan betragtes som termisk isoleret, er γ=1. Når filmens og substratets termiske effusivitet er ens (herunder når filmen og substratet er ens og semi-uendelige), er γ = 0. Når substratets termiske effusivitet er ekstremt large og grænsefladen mellem filmen og substratet er isoterm, er γ = 1.
For flerlagsfilm er analysen af Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet baseret på temperaturhistoriske kurver ved hjælp af arealvarmediffusionstider* figur 3 [3].
I henhold til analyse af arealvarmediffusionstid og inklusive grænsefladens termiske modstand mellem lagene er arealvarmediffusionstiden A for en trelagsfilm givet ved ligning (3).
C: volumetrisk varmekapacitet (produkt af Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet og densitet)
d: filmtykkelse, k: Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet, R: grænsefladens termiske modstand, tegnene Z og M henviser til genstandslag og Mo-lag på begge sider
Når et objektlag Z er klemt inde mellem Mo-lag i en trelagsfilm og måles ved hjælp af RF-tilstand, er den termiske diffusivitet kZ for lag Z og grænsefladens termiske modstand RZ-M mellem lag Z og Mo-lagene begge ukendte værdier.
Disse værdier bestemmes ved at måle varmediffusionstider τf (arealvarmediffusionstider bestemmes ud fra disse værdier) for flere film, hvor de pågældende film er kvalitativt de samme, men har forskellige tykkelser. De arealmæssige varmediffusionstider bestemmes derefter som en funktion af tykkelsen ved at tilpasse ligningen.
Varmeledningsevnen λ for den pågældende tynde film bestemmes ved hjælp af ligningen til højre.
Tabel 1: Analyseresultater
Prøve navn | Al/PEDOT/Al Tid for varmediffusion | Al/PEDOT/Al Arealmæssig varmediffusionstid | 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 |
Testresultater
Temperaturhistorik-kurven er vist i figur 4. Som vist i tabel 1 blev PEDOT-lagets termiske diffusivitet ved hjælp af trelagsanalyse beregnet til 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK) ved hjælp af den tidligere beskrevne flerlagsanalyse.
Konklusion
Varmeledningsevnen for PEDOT: PSS-tyndfilm blev målt af NanoTR i RF-tilstand.
Især ved måling af organiske tyndfilm skal risikoen for termisk skade på tyndfilmen forårsaget af pulsopvarmning minimeres.
I tilfælde af NanoTR opnås temperaturhistorikkurven som summen af hvert resultat (typisk 10.000 gange på et minut) for den periodiske pulserende lysopvarmning. Den faktiske pulsenergi er kun nogle få nJ og forårsager ingen termisk skade på prøven.
Til tyndfilmmåling via NanoTR har periodisk pulserende lysopvarmning en stor fordel i forhold til andre kommercielt tilgængelige TDTR-systemer, som er baseret på enkeltpulsopvarmning med høj pulsenergi.