Johdanto
Japanin kansallinen AIST-instituutti (Advanced Industrial Science and Technology) on kehittänyt mittaustekniikan nimeltä "pulssivalon lämmityksen lämpöheijastusmenetelmä", joka on nopeampi versio laser-salamamenetelmästä, ja on näin onnistunut mittaamaan ohutkalvojen termofysikaalisia ominaisuuksia ennen muita yrityksiä maailmassa.
Pulssivalon lämmityksen termoreflektanssimenetelmä, joka on yksi TDTR-menetelmistä (Time Domain Thermoreflectance), on tekniikka, jossa alustalle muodostettua ohutkalvoa lämmitetään välittömästi säteilyttämällä sitä piko- tai nanosekunnin pulssilaserilla, ja lämpödiffuusiosta johtuva nopea lämpötilan muutos lämmittämisen jälkeen mitataan laservalon heijastuneen intensiteettimuutoksen avulla lämpötilan mittaamiseksi.
Takalämmitys / etulämmitys vs. etulämmitys / etulämmitysTunnistusjärjestelmä
Tätä menetelmää on kahta tyyppiä: Infrapunavalon tapauksessa Si on myös läpinäkyvä substraatti) ja näytteen pinnan lämpötilan nousu mitataan (Rear heating / Front detection (RF) -tila, kuva 1b), ja järjestely, jossa näytteen pintaa lämmitetään ja mitataan lämpötilan nousu samasta kohdasta näytteen pinnalla (Front heating / Front detection (FF) -tila, kuva 1a).
Periaatteessa RF-tila on identtinen laser-salamamenetelmän kanssa, joka on irtotavaran lämpödiffuusiokyvyn vakiomittausmenetelmä, ja sillä on erinomainen kvantitatiivinen luotettavuus. Toisin kuin RF-tilassa, FF-tilassa voidaan mitata ohuita kalvoja läpinäkymättömillä alustoilla, ja se on tärkeä käytännön mittaustekniikka.
Sen jälkeen, kun Nobel-palkitut H. Shirakawa, A. J. Heeger ja A. G. MacDiarmid [1] löysivät johtavat polymeerit (seostettu polyasetyleeni), niitä on kehitetty laajalti ja käytetty erilaisissa tuotteissa, kuten antistaattisissa kalvoissa, kiinteissä elektrolyyttikondensaattoreissa ja orgaanisissa EL*:issä. Viime aikoina on keskitytty enemmän orgaanisten transistorien ja orgaanisten termoelektronisten materiaalien kehittämiseen, ja odotetaan, että poly(3,4-etyleenidioksiotioksiitiöfeeni)polystyreenisulfonaatti (PEDOT:PSS) osoittautuu lupaavaksi materiaaliksi tähän sovellukseen.
Lämpösähköisten materiaalien hyötysuhdetta kuvaa dimensioton tunnusluku ZT. Mitaton ansioluku ZT ilmaistaan kaavalla ZT=S2T/(ρ-κ), jossa S(V/K) on Seebeckin kerroin, ρ(Ω-m) on Sähköinen resistiivisyysSähköinen resistiivisyys tai sähkövastus on materiaalin perusominaisuus, joka ilmaisee, kuinka voimakkaasti tietty materiaali vastustaa sähkövirran kulkua.sähköinen resistiivisyys, κ(W/(m-K)) on LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus ja T(K) on absoluuttinen lämpötila.
*Orgaaninen EL: orgaaninen elektroluminesenssi
Tässä esimerkissä PEDOT: PSS-ohutkalvo (70 nm) mitattiin NanoTR kuvan 2) avulla. Näyte muodostettiin 0,5 mm:n kvartsilasialustalle spin coating -menetelmällä, ja se asetettiin Al-kerrosten väliin.
Analyysi
Lämpötilahistoriakäyrät sovitetaan seuraavalla yhtälöllä etupinnan lämpötilavasteelle takapinnan lämmitykselle [2], jotta saadaan lämmön diffuusioaika τf.
Tässä α on amplitudi ja γ on virtuaalisen lämmönlähteen intensiteetti. Koska lämpötilahistoriakäyrän pystyakseli on suhteellinen, α on mielivaltainen parametri, joka määritetään käyrän sovittamisen avulla.
γ määräytyy ohutkalvon ja alustan välisen lämpökerroinlujuuden mukaan, ja se vaihtelee välillä -1 ja 1. Kun alustan lämpökerroinlujuus on erittäin suuri small ja ohutkalvoa voidaan pitää lämpöeristettynä, γ=1. Kun kalvon ja substraatin lämpökerroin on yhtä suuri (myös silloin, kun kalvo ja substraatti ovat yhtä suuria ja puoli-infiniittisiä), γ = 0. Kun substraatin lämpökerroin on erittäin suuri large ja kalvon ja substraatin välinen rajapinta on IsoterminenKontrolloidussa ja vakiolämpötilassa tehtäviä testejä kutsutaan isotermisiksi.isoterminen, γ = 1. Kun kalvon ja substraatin lämpökerroin on erittäin suuri ja kalvon ja substraatin välinen rajapinta on IsoterminenKontrolloidussa ja vakiolämpötilassa tehtäviä testejä kutsutaan isotermisiksi.isoterminen, γ = 1.
Monikerroskalvojen osalta lämpödiffuusiokyvyn analyysi perustuu lämpötilahistoriakäyriin, jossa käytetään lämpödiffuusioaikoja* kuva 3 [3].
Alueellisen lämpödiffuusiokeston analyysin mukaan ja kun otetaan huomioon kerrosten välinen rajapinnan lämpövastus, kolmikerroksisen kalvon alueellinen lämpödiffuusiokesto A saadaan yhtälöstä (3).
C: tilavuuslämpökapasiteetti (ominaislämpökapasiteetin ja tiheyden tulo)
d: kalvon paksuus, k: lämpödiffuusiokyky, R: rajapinnan lämpöresistanssi, alaviitteet Z ja M viittaavat molemmin puolin olevaan aineelliseen kerrokseen ja Mo-kerrokseen
Kun tutkittava kerros Z on kolmikerroksisen kalvon Mo-kerrosten välissä ja se mitataan RF-moodissa, kerroksen Z lämpödiffuusiokyky kZ ja kerroksen Z ja Mo-kerrosten välinen rajapinnan lämpövastus RZ-M ovat molemmat tuntemattomia arvoja.
Nämä arvot määritetään mittaamalla lämmön diffuusioajat τf (pinta-alaiset lämmön diffuusioajat määritetään näistä arvoista) useille kalvoille, joiden kohdekalvot ovat laadullisesti samanlaisia mutta joiden paksuudet eroavat toisistaan. Tämän jälkeen määritetään pinta-alaiset lämpödiffuusioloajat paksuuden funktiona sovittamalla yhtälöön.
Kohteen ohuen kalvon LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus λ määritetään oikealla olevan yhtälön avulla.
Taulukko 1: Analyysin tulokset
Näyte nimi | Al/PEDOT/Al Lämpödiffuusioaika | Al/PEDOT/Al Lämpödiffuusion pinta-ala | PEDOT Lämpödiffuusiokyky | 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 |
Testitulokset
Lämpötilakäyrä on esitetty kuvassa 4. Kuten taulukosta 1 käy ilmi, soveltamalla kolmikerrosanalyysiä PEDOT-kerroksen lämpödiffuusiokyvyksi laskettiin 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK) käyttäen aiemmin kuvattua monikerrosanalyysiä.
Päätelmä
LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.Lämmönjohtavuus PEDOT: PSS-ohutkalvo mitattiin NanoTR RF-tilassa.
Erityisesti orgaanisten ohutkalvojen mittauksessa on minimoitava pulssilämmityksen aiheuttama ohutkalvon lämpövaurioriski.
Kun kyseessä on NanoTR, lämpötilahistoriakäyrä saadaan jokaisen tuloksen summana (tyypillisesti 10 000 kertaa minuutissa) jaksoittaisen pulssivalon lämmityksen osalta. Varsinainen pulssin energia on vain muutamia nJ, eikä se aiheuta lämpövaurioita näytteelle.
Ohutkalvomittauksessa NanoTR jaksottaisella pulssivalon kuumentamisella on suuri etu verrattuna muihin kaupallisesti saatavilla oleviin TDTR-järjestelmiin, jotka perustuvat suurella pulssienergialla tapahtuvaan yksittäispulssikuumentamiseen.