12.06.2023 by Aileen Sammler
NanoTR og PicoTR - Instrumentlinje til termisk karakterisering af tynde lag
Nanoteknologi er ved at få stor betydning inden for forskellige områder. Inden for kommunikation, medicin, miljø, energi, rumfart osv. pakker producenterne mere og mere ind på mindre og mindre plads, og den varme, der frigives, bliver et stadig større problem. Derfor spiller viden om materialernes termo-fysiske egenskaber en stor rolle for at muliggøre et optimalt varmegennemløb. Ved hjælp af NETZSCH Time Domain Thermoreflectance (TDTR)-metoder kan vi måle dem.
Termisk styring af tynde film
Bestemmelse af materialers Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne og varmediffusivitet kan udføres med den etablerede laser/light flash-metode (LFA). Denne LFA-metode kan typisk bruges til prøver med en tykkelse på mellem 0,1 mm og 6 mm. Men med de stadigt mere avancerede designs i elektroniske instrumenter og den tilhørende efterspørgsel efter effektiv varmestyring er det vigtigere at opnå præcise målinger af den termiske diffusivitet, Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne og overgangskontaktmodstand i nanometerområdet. Inden for dette anvendelsesområde varierer materialernes tykkelse fra 10 nm til 2 µm. De kan have form af faseændringslagre (PCM), termoelektriske tyndfilm, lysemitterende dioder (LED), dielektriske grænsefladelag eller endda gennemsigtige ledende film (PFD).
Tykkelsen af nanometer-tynde film er ofte mindre end den typiske kornstørrelse. Derfor adskiller deres termofysiske egenskaber sig markant fra værdierne for bulkmaterialet. Med faldende kornstørrelse (filmtykkelse) falder den termiske diffusivitet - især i området for elektronernes gennemsnitlige frie vej. Derfor kan den termiske diffusivitet for bulkmateriale være flere gange højere end for tynde film. På grund af dette faktum er det vigtigt også at bestemme den termiske diffusivitet på tynde film.
Termoreflektans i tidsdomæne ved opvarmning med pulserende lys: Laserblitzmetoden til tynde film
NanoTR og PicoTR er de foretrukne systemer til termisk analyse af tynde film. De er verdens første analysatorer til højpræcisionsmålinger af de termofysiske egenskaber af metal-, oxid-, organiske og andre film, oprindeligt udviklet af National Metrology Institute of Japan (NMIJ) under AIST. Disse instrumenter muliggør hurtige og meget præcise målinger 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, termisk effusivitet, Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.termisk ledningsevne og grænsefladens termiske modstand for film, der spænder fra flere nanometer til flere titalls mikrometer i tykkelse, dannet på et hvilket som helst substrat.
Hvordan fungerer det?
Den forreste eller bageste overflade af en tynd film på et substrat opvarmes af en pulserende laserkilde (pumpelaser). Samtidig bestråles den forreste overflade af den tynde film af en laserkilde til temperaturovervågning (probelaser). Kombineret med fotodetektoren kan refleksionsevnen evalueres som en funktion af tiden, og kurven for temperaturstigningen kan opnås. Ved at tilpasse den matematiske model til temperaturens historiske kurve kan den termiske diffusivitet bestemmes.
Ved at måle den konstante energi, der udsendes af en prøvelaser og reflekteres af prøven, kan temperaturændringerne på overfladen registreres nøjagtigt og hurtigere end med konventionelle IR-strålingsdetektorer.
Bestemmelsen af den termiske diffusivitet og grænsefladens termiske modstand kan realiseres ved bagopvarmning/frontdetektion (RF-tilstand) og frontopvarmning/frontdetektion (FF-tilstand).
Både NanoTR og PicoTR giver mulighed for absolutte målinger af den termiske diffusivitet af tynde film i et tykkelsesområde på flere 10 μm ned i nanometerområdet.
Et overblik over dine fordele:
- Termofysisk analyse af tynde film, herunder flerlagsstrukturer: NanoTR og PicoTR kan måle den termiske diffusivitet, den termiske effusivitet og ledningsevnen for tynde film og den termiske grænseflademodstand mellem tynde film i flerlagsfilm. NanoTR og PicoTR muliggør meget sofistikeret termisk design af halvlederkomponenter.
- Højhastighedsmåling: NanoTR's state-of-the-art signalbehandlingsteknologi giver mulighed for højhastighedsmålinger.
- RF- og FF-konfigurationer: NanoTR og PicoTR kan konfigureres til både RF- (bagopvarmning/frontdetektion) og FF-målinger (frontopvarmning/frontdetektion), hvilket muliggør måling af en lang række forskellige prøver.
- Analyse med høj præcision: Disse instrumenter giver højpræcisionsmålinger af de termofysiske egenskaber af metalliske, oxidiske, organiske og andre film. Den høje nøjagtighed kan bekræftes af NMIJ-certificerede referencematerialer (NMIJ CRM'er).
- Største tykkelsesområde: I kombination med vores LFA-instrumenter er vi i stand til at tilbyde løsninger til tynde film i nanometerområdet op til bulkmaterialer i millimeterområdet.
