Introduction
L'Institut national japonais des sciences et technologies industrielles avancées (AIST) a mis au point une technique de mesure appelée "méthode de ThermoréflectanceLa thermoréflectance est une méthode permettant de déterminer la diffusivité et la conductivité thermiques de films minces d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre.thermoréflectance par chauffage à lumière pulsée", qui est une version plus rapide de la méthode du flash laser, et a ainsi réussi à mesurer les propriétés thermophysiques des films minces avant d'autres entreprises dans le monde.
La méthode de ThermoréflectanceLa thermoréflectance est une méthode permettant de déterminer la diffusivité et la conductivité thermiques de films minces d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre.thermoréflectance par chauffage à lumière pulsée, l'une des méthodes de ThermoréflectanceLa thermoréflectance est une méthode permettant de déterminer la diffusivité et la conductivité thermiques de films minces d'une épaisseur de l'ordre du nanomètre.thermoréflectance dans le Domaine temporelUne analyse dans le domaine temporel est basée sur les changements de signaux physiques liés au temps. Un graphique du domaine temporel montre comment un signal évolue dans le temps. Dans le cas de la thermoréflectance ou de la méthode du flash laser, le signal du détecteur (variation de tension) est enregistré - au minimum - sur la plage de temps entre l'apport d'énergie et le maximum du signal (par exemple, en mode RF) ou en fonction du temps de diffusion de la chaleur prévu (par exemple, en mode FF).domaine temporel (TDTR), est une technique dans laquelle un film mince formé sur un substrat est instantanément chauffé par irradiation avec un laser pulsé picoseconde ou nanoseconde, et le changement de température à grande vitesse dû à la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusion thermique après le chauffage est mesuré par le changement d'intensité réfléchie de la lumière laser pour la mesure de la température.
Chauffage arrière/chauffage avant versus chauffage avant/détection avant
Il existe deux types de méthodes : Un arrangement dans lequel l'échantillon est chauffé du côté du substrat transparent (dans le cas de la lumière infrarouge, Si est également un substrat transparent) et l'augmentation de température de la surface de l'échantillon est mesurée (mode de chauffage arrière/détection avant (RF), fig. 1b), et un arrangement dans lequel la surface de l'échantillon est chauffée et l'augmentation de température du même endroit sur la surface de l'échantillon est mesurée (mode de chauffage avant/détection avant (FF), fig. 1a).
En principe, le mode RF est identique à la méthode du flash laser, qui est la méthode standard de mesure de la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique pour les matériaux en vrac, et se caractérise par une excellente fiabilité quantitative. Contrairement au mode RF, le mode FF peut mesurer des films minces sur des substrats opaques et est important en tant que technique de mesure pratique.
Depuis la découverte des polymères conducteurs (polyacétylène dopé) par les lauréats du prix Nobel H. Shirakawa, A. J. Heeger et A.G. MacDiarmid [1], ils ont été largement développés et utilisés dans divers produits tels que les films antistatiques, les condensateurs électrolytiques solides et les EL* organiques. Plus récemment, l'accent a été mis sur le développement de transistors organiques et de matériaux thermoélectroniques organiques, et l'on s'attend à ce que le poly (3,4- éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate (PEDOT : PSS) s'avère être un matériau prometteur pour cette application.
L'efficacité des matériaux thermoélectriques est représentée par le chiffre de mérite sans dimension, ZT. Le facteur de mérite sans dimension, ZT, est exprimé par ZT=S2T/(ρ-κ), où S(V/K) est le coefficient de Seebeck, ρ(Ω-m) est la Résistivité électriqueLa résistivité électrique ou résistance électrique est une propriété fondamentale des matériaux qui quantifie la force avec laquelle un matériau donné s'oppose à la circulation du courant électrique.résistivité électrique, κ(W/(m-K)) est la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique, et T(K) est la température absolue.
*EL organique : électroluminescent organique
Dans cet exemple, la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique d'un film mince de PEDOT : PSS (70 nm) a été mesurée à l'aide de NanoTR figure 2). L'échantillon a été formé sur un substrat de verre de quartz de 0,5 mm par spin coating, et pris en sandwich entre des couches d'Al.
Analyse
Les courbes d'évolution de la température sont ajustées à l'équation suivante pour la réponse de la température de la surface avant au chauffage de la surface arrière [2] afin d'obtenir le temps de diffusion de la chaleur τf.
Ici, α est l'amplitude et γ est l'intensité d'une source de chaleur virtuelle. L'axe vertical de la courbe de l'évolution de la température étant relatif, α est un paramètre arbitraire qui est déterminé par l'ajustement de la courbe.
γ est déterminé par l'effusivité thermique entre le film mince et le substrat, et varie entre -1 et 1. Lorsque l'effusivité thermique du substrat est extrêmement small et que le film mince peut être considéré comme thermiquement isolé, γ=1. Lorsque l'effusivité thermique du film et du substrat est égale (y compris lorsque le film et le substrat sont égaux et semi-infinis), γ = 0. Lorsque l'effusivité thermique du substrat est extrêmement large et que l'interface entre le film et le substrat est IsothermeLes essais à température contrôlée et constante sont dits isothermes.isotherme, γ=-1.
Pour les films multicouches, l'analyse de la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique est basée sur les courbes d'évolution de la température en utilisant les temps de diffusion de la chaleur surfacique* figure 3 [3].
Selon l'analyse du temps de Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusion thermique surfacique et en tenant compte de la résistance thermique interfaciale entre les couches, pour un film à trois couches, le temps de Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusion thermique surfacique A est donné par l'équation (3).
C : capacité thermique volumétrique (produit de la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique et de la densité)
d : épaisseur du film, k : Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique, R : résistance thermique interfaciale, les indices Z et M désignent la couche concernée et la couche de Mo des deux côtés
Lorsqu'une couche Z est prise en sandwich entre des couches de Mo dans un film à trois couches et mesurée en mode RF, la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique kZ de la couche Z et la résistance thermique interfaciale RZ-M entre la couche Z et les couches de Mo sont toutes deux des valeurs inconnues.
Ces valeurs sont déterminées en mesurant les temps de diffusion de la chaleur τf (les temps de diffusion de la chaleur surfacique étant déterminés à partir de ces valeurs) pour plusieurs films pour lesquels les films en question sont qualitativement identiques mais ont des épaisseurs différentes. Les temps de Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusion thermique surfaciques sont ensuite déterminés en fonction de l'épaisseur en ajustant l'équation.
La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique λ du film mince en question est déterminée à l'aide de l'équation ci-contre.
Tableau 1 : Résultats de l'analyse
Échantillon nom | Al/PEDOT/Al Temps de diffusion de la chaleur | Al/PEDOT/Al | 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 |
Résultats des tests
La courbe de l'évolution de la température est présentée à la figure 4. Comme le montre le tableau 1, en appliquant l'analyse à trois couches, la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique de la couche de PEDOT a été calculée comme étant de 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK) en utilisant l'analyse multicouche décrite précédemment.
Conclusion
La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique du film mince de PEDOT : PSS a été mesurée par NanoTR en mode RF.
En particulier pour la mesure des couches minces organiques, le risque de dommage thermique de la couche mince causé par le chauffage par impulsion doit être minimisé.
Dans le cas de NanoTR, la courbe de l'historique de la température est obtenue en additionnant chaque résultat (typiquement 10 000 fois en une minute) pour le chauffage périodique par lumière pulsée. L'énergie d'impulsion réelle n'est que de quelques nJ et ne cause aucun dommage thermique à l'échantillon.
Pour la mesure des couches minces par NanoTR, le chauffage par lumière pulsée périodique présente un grand avantage par rapport aux autres systèmes TDTR disponibles dans le commerce, qui sont basés sur le chauffage par impulsion unique avec une énergie d'impulsion élevée.