Introducción
El Instituto Nacional Japonés de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST) ha desarrollado una técnica de medición denominada "método de TermorreflexiónLa termorreflexión es un método para determinar la difusividad térmica y la conductividad térmica de películas finas con espesores en el rango nanométrico.termorreflexión por calentamiento con luz pulsada", que es una versión más rápida del método de flash láser, y ha conseguido así medir las propiedades termofísicas de las películas finas antes que otras empresas del mundo.
El método de TermorreflexiónLa termorreflexión es un método para determinar la difusividad térmica y la conductividad térmica de películas finas con espesores en el rango nanométrico.termorreflexión por calentamiento con luz pulsada, uno de los métodos de TermorreflexiónLa termorreflexión es un método para determinar la difusividad térmica y la conductividad térmica de películas finas con espesores en el rango nanométrico.termorreflexión en el Dominio del tiempoUn análisis en el dominio del tiempo se basa en los cambios de las señales físicas relacionados con el tiempo. Un gráfico en el dominio del tiempo muestra cómo cambia una señal a lo largo del tiempo. En el caso de la termorreflexión o del método del destello láser, la señal del detector (cambio de tensión) se registra -como mínimo- en el intervalo de tiempo entre la entrada de energía y el máximo de la señal (por ejemplo, en el modo RF) o en función del tiempo previsto de difusión del calor (por ejemplo, en el modo FF).dominio del tiempo (TDTR), es una técnica en la que una película fina formada sobre un sustrato se calienta instantáneamente irradiándola con un láser pulsado de picosegundos o nanosegundos, y el cambio de temperatura a alta velocidad debido a la difusión térmica tras el calentamiento se mide mediante el cambio de intensidad reflejado de la luz láser para medir la temperatura.
Calefacción trasera/Calefacción delantera Versus Calefacción delantera/Detección delantera
Existen dos tipos de este método: Una disposición en la que la muestra se calienta desde el lado del sustrato transparente (en el caso de la luz infrarroja, el Si también es un sustrato transparente) y se mide el aumento de temperatura de la superficie de la muestra (modo de calentamiento posterior / detección frontal (RF), fig. 1b), y una disposición en la que la superficie de la muestra se calienta y se mide el aumento de temperatura del mismo lugar de la superficie de la muestra (modo de calentamiento frontal / detección frontal (FF), fig. 1a).
En principio, el modo RF es idéntico al método de flash láser, que es el método estándar de medición de la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica para materiales a granel, y presenta una excelente fiabilidad cuantitativa. A diferencia del modo RF, el modo FF puede medir películas finas sobre sustratos opacos y es importante como técnica de medición práctica.
Desde el descubrimiento de los polímeros conductores (poliacetileno dopado) por los premios Nobel H. Shirakawa, A. J. Heeger y A.G. MacDiarmid [1], se han desarrollado ampliamente y se han utilizado en diversos productos como películas antiestáticas, condensadores electrolíticos sólidos y EL* orgánicos. Más recientemente, la atención se ha centrado más en el desarrollo de transistores orgánicos y materiales termoelectrónicos orgánicos, y se espera que el poli (3,4- etilendioxitiofeno) poliestireno sulfonato (PEDOT: PSS) resulte ser un material prometedor para esta aplicación.
La eficiencia de los materiales termoeléctricos está representada por la cifra adimensional de mérito, ZT. La cifra adimensional de mérito, ZT, se expresa mediante ZT=S2T/(ρ-κ), donde S(V/K) es el coefficient de Seebeck, ρ(Ω-m) es la Resistividad eléctricaLa resistividad eléctrica o resistencia eléctrica es una propiedad fundamental de los materiales que cuantifica la fuerza con la que un determinado material se opone al flujo de corriente eléctrica.resistividad eléctrica, κ(W/(m-K)) es la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica y T(K) es la temperatura absoluta.
*EL orgánico: electroluminiscente orgánico
En este ejemplo, la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica de una película delgada de PEDOT: PSS (70 nm) mediante NanoTR figura 2). La muestra se formó sobre un sustrato de vidrio de cuarzo de 0,5 mm mediante recubrimiento por rotación, y se intercaló entre capas de Al.
Análisis
Las curvas históricas de temperatura se ajustan con la siguiente ecuación de respuesta de la temperatura de la superficie frontal al calentamiento de la superficie posterior [2] para obtener el tiempo de difusión del calor τf.
Aquí α es la amplitud, y γ es la intensidad de una fuente de calor virtual. Dado que el eje vertical de la curva del historial de temperatura es relativo, α es un parámetro arbitrario que se determina mediante el ajuste de la curva.
γ viene determinado por la efusividad térmica entre la película fina y el sustrato, y oscila entre -1 y 1. Cuando la efusividad térmica del sustrato es extremadamente small y la película fina puede considerarse aislada térmicamente, γ=1. Cuando la efusividad térmica de la película y del sustrato son iguales (incluso cuando la película y el sustrato son iguales y semi-infinitos), γ = 0. Cuando la efusividad térmica del sustrato es extremadamente large y la interfaz entre la película y el sustrato es IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica, γ=-1.
En el caso de las películas multicapa, el análisis de la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica se basa en las curvas históricas de temperatura utilizando los tiempos de difusión del calor areal* figura 3 [3].
Según el análisis del tiempo de difusión del calor areal e incluyendo la resistencia térmica interfacial entre capas, para una película de tres capas, el tiempo de difusión del calor areal A viene dado por la ecuación (3).
C: capacidad calorífica volumétrica (producto de la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica y la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad)
d: espesor de la película, k: Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica, R: resistencia térmica interfacial, los subíndices Z y M se refieren a la capa objeto y a la capa de Mo en ambos lados
Cuando una capa objeto Z se intercala entre capas Mo en una película de tres capas y se mide utilizando el modo RF, la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica kZ de la capa Z y la resistencia térmica interfacial RZ-M entre la capa Z y las capas Mo son valores desconocidos.
Estos valores se determinan midiendo los tiempos de difusión térmica τf (los tiempos de difusión térmica areal se determinan a partir de estos valores) para múltiples películas para las que las películas objeto son cualitativamente iguales pero tienen espesores diferentes. A continuación, se determinan los tiempos de difusión del calor areal en función del espesor ajustando la ecuación.
La Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica λ de la lámina delgada objeto de estudio se determina mediante la ecuación de la derecha.
Cuadro 1: Resultados de los análisis
Muestra nombre | Al/PEDOT/Al Tiempo de difusión del calor | Al/PEDOT/Al Tiempo de difusión del calor | 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 |
Resultados de las pruebas
La curva del historial de temperatura se muestra en la figura 4. Como se muestra en la tabla 1, aplicando el análisis de tres capas, la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica de la capa PEDOT se calculó en 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK) utilizando el análisis multicapa descrito anteriormente.
Conclusión
La Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica de la película delgada de PEDOT: PSS mediante NanoTR en modo RF.
Especialmente para la medición de películas delgadas orgánicas, debe minimizarse el riesgo de daños térmicos en la película delgada causados por el calentamiento por impulsos.
En el caso de NanoTR, la curva del historial de temperatura se obtiene como la suma de cada resultado (normalmente 10.000 veces en un minuto) para el calentamiento periódico por luz pulsada. La energía de pulso real es de sólo varios nJ y no causa ningún daño térmico a la muestra.
Para la medición de películas finas mediante NanoTR, el calentamiento periódico por luz pulsada tiene una gran ventaja sobre otros sistemas TDTR disponibles en el mercado, que se basan en el calentamiento por un solo pulso con una elevada energía de pulso.