Asiakkaan menestystarina
Läpimurtojen mahdollistaminen lämpötransistoritutkimuksessa
Läpimurtojen mahdollistaminen lämpötransistoritutkimuksessa: NETZSCH PicoTR Hokkaidon yliopistossa käytetään ohuen kalvon mittauksen rajojen ylittämiseen
Hokkaidon yliopistossa professori Hiromichi Ohta ja hänen ryhmänsä ovat eturintamassa kiinteän tilan sähkökemiallisia termotransistoreja koskevassa tutkimuksessa. Käyttämällä NETZSCH PicoTR -analysaattoria he voivat mitata tarkasti ultraohuiden kalvojen termofysikaaliset ominaisuudet - tämä on tärkeä askel kohti seuraavan sukupolven lämmönhallintateknologioita.
Tässä asiakastarinassa haastattelemme pitkäaikaista asiakastamme, prof. Hiromichi Ohtahokkaidon yliopiston elektroniikan tutkimuslaitoksen johtajaa Japanissa. Hän käyttää NETZSCH PicoTR -laitetta mittaamaan ohuita kalvoja, joita käytetään termisissä transistoreissa. Hänen tutkimuslaboratorionsa Hokkaidon yliopistossa kehitti ensimmäisenä kiinteän tilan sähkökemiallisia termisiä transistoreja.
Haastattelun tekivät Narumi Fukuda ja Kazuko Ishikawa (NETZSCH Japani)
Tietoja haastateltavasta, professori Hiromichi Ohtasta
Hiromichi Ohta (kuva 1) syntyi vuonna 1971. Hän valmistui Saitaman yliopiston teknillisestä tiedekunnasta maaliskuussa 1994. Valmistuttuaan sovelletun kemian maisteriksi Nagoyan yliopiston insinööritieteiden korkeakoulusta maaliskuussa 1996 hän työskenteli tutkijana Sanyo Electric Co., Ltd:n Soft Energy Technology Development Laboratory -laboratoriossa sekä tutkijana HOYA Corporationin R&D Center for Advanced Technology -yksikössä. Hän toimi myös ERATO Hosono Transparent ElectroActive Materials -hankkeen ryhmänjohtajana.
Vuonna 2003 hänestä tuli apulaisprofessori Nagoyan yliopiston insinööritieteiden korkeakouluun. Vuonna 2012 hänestä tuli professori Hokkaidon yliopiston elektroniikan tutkimuslaitokseen, jossa hän on edelleen. Vuodesta 2025 lähtien hän on toiminut elektroniikan tutkimuslaitoksen johtajana. Hänellä on tekniikan tohtorin tutkinto Tokion teknillisestä korkeakoulusta (2001).
Hänen tärkeimpiä tutkimusalojaan ovat lämpötransistorit (lämpökytkimet), lämpösähköiset muuntomateriaalit ja oksidiohutkalvotransistorit. Hän on kirjoittanut yli 280 vertaisarvioitua lehtiartikkelia, joihin on viitattu yli 24 800 kertaa ja joiden H-indeksi on 61.
Tietoa elektroniikan tutkimuslaitoksesta (RIES)
Hokkaidon yliopiston elektroniikan tutkimuslaitos (Research Institute for Electronic Science, RIES) (kuva 2) perustettiin alun perin vuonna 1943 Ultra Shortwave Research Institute -nimellä. Myöhemmin siitä tuli Sovelletun sähkön instituutti ennen kuin se sai nykyisen nimensä vuonna 1993. Huippututkimuksen ja -koulutuksen avulla RIES edistää edelleen elektroniikkatieteen kehitystä.
RIES koostuu kolmesta päätutkimusyksiköstä: fotoniikan ja optisen tieteen osastosta, materiaali- ja molekyylitutkimuksen osastosta sekä biotieteiden osastosta. Lisäksi siellä toimivat Green Nanotechnology Research Center ja Research Center of Mathematics for Social Creativity.
Miksi NETZSCH PicoTR ?
NETZSCH: Professori Ohta, miksi valitsitte tutkimukseenne NETZSCH -instrumentin? Kertokaa meille hieman lisää analyysinne tavoitteista ja keskeisistä tekijöistä, jotka vaikuttivat päätökseenne.
Prof. Ohta:
"Olen tutkinut ohuita kalvoja jo pitkään. Lämmönjohtavuuden mittaaminen on olennaisen tärkeää lämpösähköisen muuntoteknologian yhteydessä. Ennen kuin kehitettiin PicoTR, ajattelin: "Ohuiden kalvojen mittaaminen oli vaikeaa", "Vain erikoistuneet ihmiset pystyivät mittaamaan niitä" ja "Ohuiden kalvojen mittaamiseen ei ollut saatavilla laitteita"."
Ihmiset neuvoivat minua usein: "Miksei mitata 3-omega-menetelmällä?" Mutta vallalla oli vahva käsitys, että tämä olisi mahdotonta ilman metallien hienorivikuviointitekniikkaa.
Kun PicoTR kuitenkin julkaistiin, kuulin siitä nopeasti, ja huhuissa sanottiin: "Tämä laite näyttää pystyvän mittaamaan ohutkalvoja." Satuin tuolloin saamaan tutkimusapurahan, jota olin hakenut, joten päätin kokeilla PicoTR (kuva 3) käyttöä ja otin sen käyttöön laitoksessamme. Menestyksekkäästi!
Nykyään tutkin ohuita kalvoja kehittääkseni kiinteän tilan sähkökemiallisia termisiä transistoreja. Uskon, että PicoTR soveltuu täydellisesti niiden mittaamiseen."
Ainutlaatuiset ominaisuudet, jotka tekevät eron
NETZSCH: Onko käyttämässäsi PicoTR -järjestelmässä ominaisuuksia, jotka ovat erityisen hyödyllisiä juuri sinun sovelluksessasi?
Prof. OHTA:
"Yksi PicoTR -järjestelmän ainutlaatuisista ominaisuuksista on sen 50 nanosekunnin viiveaika. Kun esittelin tätä tietoa kansainvälisessä konferenssissa, minulta kysyttiin usein: "Eikö se ollut virhe?" Eikö sen pitäisi olla 5 nanosekuntia?" Muiden laitosten tutkijoilla näyttää olevan vain laitteita, joiden viiveaika on noin 5 nanosekuntia.
Kun mitataan FF-tilassa ja viiveaika otetaan vaaka-akselille, voidaan havaita termoreflektanssisignaalin HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen (kuva 4). Oli kuitenkin tietoja, jotka voitiin havaita ensimmäistä kertaa, kun mitattiin 50 nanosekuntiin asti. Siksi koin, että oli hieman hankalaa tehdä mittauksia laitteella, joka näkee vain 5 nanosekuntiin asti."
Jäljempänä olevassa kuvassa sininen viiva osoittaa PicoTR-laitteella mitatut tiedot ja punainen viiva osoittaa analyysia varten sovitetut tiedot (kuva 5). Jos todellinen mittaus ja sovitus vastaavat toisiaan 50 nanosekunnin tarkkuudella, on selvää, että analyysituloksen arvo on oikea. Jos se pystyisi mittaamaan vain 5 nanosekunnin tarkkuudella, tuloksissa olisi jonkin verran epävarmuutta. Siksi mielestäni kyky mitata 50 nanosekuntiin asti on yksi PicoTR-laitteen suurista vahvuuksista.
Prof. Ohta:
"Aina kun pidän luentoja ulkomailla, kuulijoissa on opiskelijoita, jotka käyttävät samankaltaisia järjestelmiä ja toimivat opettajina ja professoreina eri paikoissa, kuten Hongkongissa, Kiinassa ja Koreassa. Kun he näkevät tietoni, he ovat aina yllättyneitä ja sanovat: "50 nanosekuntia!?" Eikö siinä ole ylimääräinen nolla?". Minusta on hienoa, että PicoTR voi havaita termoreflektanssisignaalin jopa 50 nanosekuntiin asti.
Toinen etu on se, että NETZSCH -järjestelmää voi käyttää myös ilman syvällisiä tietoja. Minulla ei ole paljon tietoa lämpöanalyysistä, joten vaikka joku käskisi minua rakentamaan lämpöanalyysilaitteen ohuille kalvoille ja antaisi minulle osat, en koskaan pystyisi tekemään sitä. (Hän nauraa)
Lämpöanalyysiin erikoistuneet tutkijat ja insinöörit keräävät usein osia, rakentavat laitteita ja suorittavat mittauksia itse. Niinpä nuo TDTR-laitteet (Time-Domain Thermoreflectance) ovat yleensä paljon järeämpiä ja mittaavat vain 5 nanosekunnin ajan. Kompaktin rakenteensa ansiosta PicoTR mahdollistaa kuitenkin tietojen saamisen vain yhdellä napsautuksella."
Kommentti NETZSCH: Kuten mainitsit, TDTR-optisen viiveen kanssa työskentelevät joutuvat usein kamppailemaan lasersäteiden kohdistamisesta avaruudessa, mikä voi olla hyvin haastavaa. Mielestämme yksi syy siihen, että PicoTR, jossa on sähköinen viive, voidaan kaupallistaa, on se, että sen kohdistus on paljon helpompaa.
Laboratoriotiedoista vaikutuksiin todellisessa maailmassa
NETZSCH: Miten analyysin tulokset vaikuttivat tutkimukseenne? Saitteko uusia oivalluksia, vai ilmenikö täysin uutta kehitystä?
Prof. Ohta:
"En usko, että olisimme voineet tuoda markkinoille kiinteän tilan sähkökemiallisia termisiä transistoreja ilman THE PicoTR.
Lämpötransistoritutkimuksessa on välttämätöntä kytkeä lämpötransistori toistuvasti päälle ja pois päältä ja mitata, miten sen 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 muuttuu. Kun toimitin ensimmäisen kerran paperini, suoritin 10 toistuvaa ajoa ja sain 10 mittausta, joten toimitin paperin näiden tietojen kanssa.
Kuitenkin uudemman artikkelin arvosteluprosessin aikana minua pyydettiin: "Mittaa 10 potenssiin 6 (1 miljoona) kertaa" Se on ilmeisesti kohtuutonta, joten minun oli vähennettävä se 100 kertaa. Jopa 100 kertaa oli melko haastavaa. Lopulta päätin tehdä mittauksen osoitteessa PicoTR kerran 10 kokeessa. Tämän kokemuksen perusteella tajusin, että olisi hienoa, jos PicoTR pystyisi ennustamaan lämmönjohtavuuden muutoksia säilyttäen samalla erinomaisen suorituskykynsä."
Tulevaisuuden visio: "Thermal Display"
NETZSCH: Katsotaanpa tulevaisuuteen: Onko muita haasteita, joihin haluaisit puuttua?
Prof. Ohta:
"Vaikka aion jatkaa nykyistä tutkimustani, henkilökohtaisesti haluan kehittää "lämpönäytön"." Kun puhun tästä ihmisille, he sanovat usein: "En oikein ymmärrä" Mutta tämä on minun näkemykseni "lämpönäytöstä".":
Haluan kehittää kytkimen, joka voi muuttaa lämmönläpäisevyyttä. Kuvittele, että tekstin jokainen pikseli (kuva 7) on lämpökytkin. Oranssi osa edustaa kytkintä, joka päästää lämmön helposti läpi, kun taas musta osa edustaa aluetta, josta lämpö ei pääse läpi. Tämän säiliön sisällä on sulaa kuumaa rautaa. Tämä sula rauta on lämmönlähde, ja näytössä käytetään infrapunatekniikkaa.
Haluan kehittää tekniikan, joka voi käyttää näytöllä näytettävää lämpöä. Tämän (kuvassa olevan) huoneen lämpötilan oletetaan olevan 100 °C. Luulen, että tyypillisesti tällaiseen ympäristöön ei voisi sijoittaa televisiota tai näyttöä. LCD- ja OLED-näytöt eivät toimisi, ja kuvittelen skenaarion, jossa ihmiset eivät pystyisi työskentelemään tällaisessa ympäristössä.
Tällaisessa ympäristössä voivat toimia vain robotit. Nämä robotit kaappaisivat infrapunasignaaleja ja liikkuisivat näytöllä näkyvien ohjeiden mukaan. En ole varma, toteutuuko tämä koskaan, mutta toivon voivani kehittää tällaisen "lämpönäytön" Kun puhun asiasta asiantuntijoille, he eivät kuitenkaan ymmärrä, joten pyysin graafista suunnittelijaa luomaan tämän kuvan. (nauraa) Yritin myös käyttää tekoälyä (kuten ChatGPT:tä) kuvan luomiseen, mutta se ei aivan vastannut näkemystäni."
Neuvoja tuleville PicoTR käyttäjille
NETZSCH: Jos voisit antaa neuvoja tai varoituksia jollekulle, joka harkitsee PicoTR-palvelun käyttöönottoa, mitä ne olisivat?
Prof. Ohta:
"Mitä tulee näytteiden valintaan PicoTRkäyttämämme ohuet näytteet ovat täydellisiä. En kuitenkaan usko, että PicoTR toimisi hyvin paksummilla näytteillä tai näytteillä, joiden pinnassa on huomattavaa pinnankarheutta. Joskus saamme pyyntöjä mitata näytteitä käyttäen PicoTR, ja kun katson heidän lähettämiään näytteitä, niissä on usein huomattavaa pinnankarheutta. Jos siis päätät ottaa käyttöön PicoTR, suosittelen käyttämään ohuita näytteitä, joissa on sileä pinta."
NETZSCH: Kiitos paljon näistä mielenkiintoisista näkemyksistä, professori Ohta! Olemme ylpeitä voidessamme tukea tutkimustanne PicoTR -analysaattorillamme. Lisäksi paksumpien näytteiden mittaamiseen voimme suositella meidän Laser-Flash-analysaattoria. 😉
