Customer SUCCESS STORY
Durchbruch in der Forschung zu thermischen Transistoren
Durchbruch in der Forschung zu thermischen Transistoren – Wie die Universität Hokkaido mit dem NETZSCH PicoTR die Grenzen der Dünnschichtmessung erweitert
An der Universität Hokkaido leisten Prof. Hiromichi Ohta und sein Team Pionierarbeit in der Forschung im Bereich elektrochemischer Festkörper-Thermotransistoren. Mit dem NETZSCH PicoTR-Analysesystem können sie thermophysikalische Eigenschaften ultradünner Schichten präzise messen – ein wichtiger Schritt zur Realisierung von Wärmemanagementtechnologien der nächsten Generation.
In dieser Customer Success Story interviewten wir unseren langjährigen Kunden, Prof. Hiromichi Ohta, Direktor am Forschungsinstitut für Elektronikwissenschaften der Universität Hokkaido, in Japan. Er verwendet das NETZSCH PicoTR-Analysegerät zur Messung von Dünnschichten, die in thermischen Transistoren zum Einsatz kommen. Sein Forschungslabor an der Universität Hokkaido war das erste, das elektrochemische Festkörper-Thermotransistoren entwickelt hat.
Das Interview wurde von Narumi Fukuda und Kazuko Ishikawa (NETZSCH Japan) geführt.
Über unseren Interviewpartner Prof. Hiromichi Ohta
Hiromichi Ohta (Bild 1) wurde 1971 geboren. Er schloss sein Studium an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Saitama im März 1994 ab. Nach seinem Masterabschluss arbeitete er in Angewandter Chemie an der Graduiertenschule für Ingenieurwissenschaften der Universität Nagoya im März 1996 als Forscher im Soft Energy Technology Development Laboratory der Sanyo Electric Co. Ferner war er Gruppenleiter für das ERATO Hosono Transparent ElectroActive Materials Project. Im Jahr 2003 wurde er außerordentlicher Professor an der Graduate School of Engineering der Universität Nagoya. Im Jahr 2012 wurde er Professor am Forschungsinstitut für Elektronikwissenschaften der Universität Hokkaido, eine Position, die er bis heute innehat. Seit 2025 ist er als Direktor des Forschungsinstituts für Elektronikwissenschaften tätig. Er besitzt einen Doktortitel in Ingenieurwissenschaften vom Tokyo Institute of Technology (2001).
Seine Forschungsschwerpunkte sind thermische Transistoren (Thermoschalter), Materialien zur thermoelektrischen Energieumwandlung und Oxid-Dünnschichttransistoren. Er ist Autor von über 280 Fachartikeln, die mehr als 24.800 Mal zitiert wurden, mit einem H-Index von 61.
Über das Forschungsinstitut für Elektronikwissenschaften (RIES)
Das Forschungsinstitut für Elektronikwissenschaften (Research Institute for Electronic Science, kurz RIES) an der Universität Hokkaido (Bild 2) wurde ursprünglich 1943 als Forschungsinstitut für Ultrakurzwellen gegründet. Später wurde es zum Institut für Angewandte Elektrizität, bevor es 1993 seinen heutigen Namen erhielt. Durch Spitzenforschung und Lehre leistet das RIES weiterhin einen Beitrag zum Fortschritt der Elektronikwissenschaften.
Das RIES besteht aus drei Hauptforschungsabteilungen: der Abteilung für Photonik und Optik, der Abteilung für Material- und Molekularwissenschaften und der Abteilung für Life Sciences. Darüber hinaus beherbergt es das Forschungszentrum für grüne Nanotechnologie und das Forschungszentrum für Mathematik für soziale Kreativität.
Warum NETZSCH PicoTR?
NETZSCH: Prof. Ohta, warum haben Sie sich für ein Gerät von NETZSCH für Ihre Forschung entschieden? Bitte erzählen Sie uns etwas mehr über Ihre Analyseziele und die wichtigsten Faktoren für Ihre Entscheidung.
Prof. Ohta:
"Ich forsche seit langem auf dem Gebiet der Dünnschichten. Wenn es um thermoelektrische Umwandlungstechnologie geht, ist die Messung der WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit von entscheidender Bedeutung. Vor der Entwicklung von PicoTR dachte ich: „Die Messung von Dünnschichten ist schwierig“, „Nur Spezialisten können sie messen“ und „Es gibt keine Geräte zur Messung von Dünnschichten“.
Ich erhielt oft Ratschläge wie: „Warum messen Sie nicht mit der 3-Omega-Methode?“ Doch man war der starken Auffassung, dass eine Messung ohne Metall-Feinlinien-Strukturierungstechnologie schwierig sei.
Als PicoTR auf den Markt kam, hörte ich schnell davon, und es gab Gerüchte, dass „dieses Gerät offenbar in der Lage ist, sie zu messen“. Zu dieser Zeit erhielt ich zufällig einen Forschungszuschuss, den ich beantragt hatte, und beschloss, PicoTR (Bild 3) auszuprobieren und es am Institut einzuführen. Mit Erfolg!
Ich forsche heute an Dünnschichten, um elektrochemische Festkörper-Thermotransistoren zu entwickeln. Ich bin überzeugt, dass sich PicoTR perfekt für die Messung eignet."
Einzigartige Merkmale, die den Unterschied machen
NETZSCH: Gibt es Funktionen des von Ihnen verwendeten PicoTR Systems, die für Ihre spezifische Anwendung besonders nützlich sind?
Prof. Ohta:
"Eine der einzigartigen Eigenschaften von PicoTR ist seine Verzögerungszeit von 50 Nanosekunden. Als ich diese Daten auf einer internationalen Konferenz vorstellte, wurde ich oft gefragt: „War das nicht ein Fehler? Sollte es nicht 5 Nanosekunden sein?“ Forscher anderer Institute scheinen nur Geräte mit einer Verzögerungszeit von etwa 5 Nanosekunden zu haben.
Bei der Messung im FF-Modus kann man, wenn man die Verzögerungszeit auf der horizontalen Achse nimmt, den Abfall des Thermoreflektionssignals beobachten (Bild 4), aber es gab Daten, die man zum ersten Mal beobachten konnte, wenn man bis zu 50 Nanosekunden gemessen hat. Daher empfand ich es als etwas unbequem, Messungen mit einem Gerät durchzuführen, das nur bis zu 5 Nanosekunden messen kann."
Die blaue Linie zeigt die mit PicoTR gemessenen Daten, und die rote Linie ist die Anpassung der Analyse (Bild 5). Wenn die tatsächliche Messung und die Anpassung bis zu 50 Nanosekunden übereinstimmen, ist es offensichtlich, dass der Wert des Analyseergebnisses korrekt ist. Wenn nur bis zu 5 Nanosekunden gemessen werden könnten, gäbe es eine gewisse Unsicherheit in den Ergebnissen. Daher halte ich die Fähigkeit, bis zu 50 Nanosekunden zu messen, für eine der großen Stärken des PicoTR-Analysegeräts.
Prof. Ohta:
"Wenn ich Vorträge im Ausland halte, sind immer Studenten im Publikum, die selbst mit ähnlichen Systemen arbeiten und auch als Lehrer und Professoren an verschiedenen Orten tätig sind, darunter Hongkong, China und Korea. Wenn sie meine Daten sehen, sind sie immer überrascht und sagen: „50 Nanosekunden? Ist da nicht eine Null zuviel?“ Ich finde es großartig, dass das PicoTR das Thermoreflektionssignal bis zu 50 Nanosekunden beobachten kann.
Ein weiterer großer Vorteil ist, dass das NETZSCH System auch ohne fundierte Kenntnisse bedienbar ist. Da ich mich mit thermischer Analyse nicht gut auskenne, wäre ich selbst dann nicht in der Lage, ein thermisches Analysegerät für dünne Schichten zu bauen, wenn mir jemand die entsprechenden Teile dafür geben würde. (Er lacht.)
Forscher und Ingenieure, die sich auf thermische Analyse spezialisiert haben, sammeln oft selbst Teile, bauen Geräte und führen Messungen durch. Daher sind diese TDTR (Time-Domain Thermoreflectance)-Geräte in der Regel viel sperriger und messen nur bis zu 5 Nanosekunden. Mit dem kompakten Design des PicoTR können Sie jedoch Daten mit nur einem Klick erhalten."
Kommentar von NETZSCH: Wie Sie bereits erwähnt haben, haben diejenigen, die mit optischer Verzögerung arbeiten, oft mit der Ausrichtung von Laserstrahlen im Raum zu kämpfen, was sehr schwierig sein kann. Wir denken, einer der Gründe, warum PicoTR mit elektrischer Verzögerung kommerzialisiert werden kann, ist, dass die Ausrichtung viel einfacher ist.
Von Labordaten zu realen Auswirkungen
NETZSCH: Wie haben sich die Analyseergebnisse auf Ihre Forschung ausgewirkt? Konnten Sie neue Erkenntnisse gewinnen oder hat sich eine völlig neue Entwicklung ergeben?
Prof. Ohta:
"Ich glaube nicht, dass wir ohne PicoTR elektrochemische Thermotransistoren in Festkörperform auf den Markt hätten bringen können.
Bei der Forschung im Bereich thermischer Transistoren ist es notwendig, den thermischen Transistor wiederholt ein- und auszuschalten und zu messen, wie sich seine Wärmeleitfähigkeit dabei verändert. Als ich meine Arbeit zum ersten Mal einreichte, habe ich 10 Wiederholungsläufe durchgeführt und konnte 10 Messungen erhalten, also habe ich die Arbeit mit diesen Daten eingereicht.
In einer neueren Arbeit wurde ich jedoch während des Begutachtungsprozesses gebeten, „bitte 10 hoch 6 (1 Million) Mal zu messen”. Das ist natürlich unzumutbar, also habe ich es auf 100 mal reduziert. Selbst 100 mal war eine ziemliche Herausforderung. Letztendlich entschied ich mich, alle 10 Versuche eine Messung mit PicoTR durchzuführen. Aufgrund dieser Erfahrung kam ich zu dem Schluss, dass es großartig wäre, wenn PicoTR Änderungen der Wärmeleitfähigkeit vorhersagen könnte, ohne dabei seine hervorragenden Eigenschaften einzubüßen."
Eine Vision für die Zukunft: Das „Thermische Display”
NETZSCH: Werfen wir einen Blick in die Zukunft: Welche weiteren Herausforderungen möchten Sie angehen?
Prof. Ohta:
"Ich möchte meine derzeitige Forschung fortsetzen, aber persönlich möchte ich ein „thermisches Display” entwickeln. Wenn ich mit anderen darüber spreche, sagen sie oft: „Ich verstehe das nicht ganz.” Aber das ist meine Vision für ein „thermisches Display”:
Ich möchte einen Schalter entwickeln, der die Wärmedurchlässigkeit verändern kann. Stellen Sie sich jedes Pixel des Textes (siehe obiges Bild) als einen thermischen Schalter vor. Der orangefarbene Teil steht für einen Schalter, der Wärme leicht durchlässt, während der schwarze Teil einen Bereich darstellt, durch den keine Wärme hindurchgeht. In diesem Behälter befindet sich geschmolzenes heißes Eisen, das die Wärmequelle ist; die Anzeige erfolgt mittels Infrarottechnik.
Ich möchte eine Technologie entwickeln, die die abgegebene Wärme zur Anzeige auf einem Bildschirm nutzen kann. Die Temperatur in diesem (abgebildeten) Raum wird mit 100 °C angenommen. Ich denke, dass man normalerweise keinen Fernseher oder Bildschirm in einer solchen Umgebung aufstellen könnte. LCDs und OLEDs würden nicht funktionieren, und ich stelle mir ein Szenario vor, in dem Menschen in dieser Umgebung nicht arbeiten können.
In dieser Umgebung können nur Roboter arbeiten. Diese Roboter würden Infrarotsignale erfassen und sich gemäß den auf dem Bildschirm angezeigten Anweisungen bewegen. Ich bin mir nicht sicher, ob dies jemals realisiert werden kann, aber ich hoffe, eine solche „thermische Anzeige” entwickeln zu können. Wenn ich jedoch mit Experten darüber spreche, verstehen sie mich nicht, deshalb habe ich einen Grafikdesigner gebeten, dieses Bild zu zeichnen. (lacht) Ich habe auch versucht, mit KI (wie ChatGPT) ein Bild zu erstellen, aber es entsprach nicht ganz meiner Vorstellung."
Ratschläge für zukünftige PicoTR-Anwender
NETZSCH: Wenn Sie jemandem, der die Einführung von PicoTR in Betracht zieht, einen Rat oder einen Hinweis geben könnten, welcher wäre das?
Prof. Ohta:
"Was die Auswahl der Proben für PicoTR angeht, sind die von uns verwendeten dünnen Proben perfekt. Ich glaube jedoch nicht, dass PicoTR bei dickeren Proben oder solchen mit ausgeprägter Oberflächenrauheit gut funktionieren würde. Manchmal erhalten wir Anfragen zur Messung von Proben mit PicoTR, und wenn ich mir die eingesandten Proben ansehe, weisen sie oft eine erhebliche Oberflächenrauheit auf. Wenn Sie sich für die Einführung von PicoTR entscheiden, würde ich daher die Verwendung dünner Proben mit glatten Oberflächen empfehlen."
NETZSCH: Prof. Ohta, vielen Dank für diese interessanten Einblicke! Wir sind stolz darauf, mit unserem PicoTR-Analysator zu Ihrer Forschung beitragen zu können. Und für die Messung dickerer Proben können wir unseren Laser-Flash-Analysator empfehlen. 😉
