Bevezetés
A japán Nemzeti Korszerű Ipari Tudományos és Technológiai Intézet (AIST) kifejlesztett egy mérési technikát, az "impulzusfény-fűtéses TermoreflexióA termoreflexió a nanométeres vastagságú vékonyrétegek hővezető képességének és hővezető képességének meghatározására szolgáló módszer.termoreflexiós módszert", amely a lézervillantásos módszer gyorsabb változata, és ezzel sikerült a világ más vállalatai előtt mérni a vékonyrétegek termofizikai tulajdonságait.
Az impulzusfény-fűtéses TermoreflexióA termoreflexió a nanométeres vastagságú vékonyrétegek hővezető képességének és hővezető képességének meghatározására szolgáló módszer.termoreflexiós módszer, amely az időtartománybeli TermoreflexióA termoreflexió a nanométeres vastagságú vékonyrétegek hővezető képességének és hővezető képességének meghatározására szolgáló módszer.termoreflexiós módszerek (Time Domain Thermoreflectance, TDTR) egyike, egy olyan technika, amelyben egy hordozón kialakított vékonyréteget pikoszekundumos vagy nanoszekundumos impulzuslézerrel történő besugárzással azonnal felmelegítenek, és a felmelegítés után a hődiffúzió miatti nagy sebességű hőmérsékletváltozást a hőmérsékletméréshez a lézerfény visszavert intenzitásváltozásával mérik.
Hátsó fűtés/elülső fűtés kontra elülső fűtés/elülsőfelismerés
Ennek a módszernek két típusa van: (infravörös fény esetén a Si szintén egy átlátszó szubsztrát), és a minta felületének hőmérséklet-emelkedését mérjük (hátsó fűtés / elülső érzékelés (RF) üzemmód, 1b. ábra), és egy olyan elrendezés, amelyben a minta felületét fűtjük, és a minta felületének ugyanazon helyének hőmérséklet-emelkedését mérjük (elülső fűtés / elülső érzékelés (FF) üzemmód, 1a. ábra).
Az RF üzemmód elvileg megegyezik a lézervillantásos módszerrel, amely az ömlesztett anyagok hődiffúziós képességének standard mérési módszere, és kiváló mennyiségi megbízhatósággal rendelkezik. Az RF üzemmóddal ellentétben az FF üzemmód átlátszatlan hordozón lévő vékony filmek mérésére alkalmas, és fontos gyakorlati mérési technikaként.
A vezető polimerek (adalékolt poliacetilén) Nobel-díjas H. Shirakawa, A. J. Heeger és A. G. MacDiarmid [1] felfedezése óta széles körben fejlesztették ki és használják különböző termékekben, például antisztatikus filmekben, szilárd elektrolitikus kondenzátorokban és szerves EL*-ben. Újabban inkább a szerves tranzisztorok és szerves termoelektronikai anyagok fejlesztésére összpontosítanak, és várhatóan a poli(3,4-etilén-dioxi-tiofén) polisztirol-szulfonát (PEDOT:PSS) ígéretes anyagnak bizonyul majd erre az alkalmazásra.
A termoelektromos anyagok hatásfokát a dimenziótlan érdemszámmal, a ZT-vel fejezzük ki. A dimenziótlan ZT érdemszámot a ZT=S2T/(ρ-κ) képlet fejezi ki, ahol S(V/K) a Seebeck-koefficient, ρ(Ω-m) az Elektromos ellenállásAz elektromos ellenállás vagy elektromos ellenállás egy alapvető anyagi tulajdonság, amely azt mutatja meg, hogy egy adott anyag milyen erősen ellenáll az elektromos áram áramlásának.elektromos ellenállás, κ(W/(m-K)) a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség és T(K) az abszolút hőmérséklet.
*Szerves EL: szerves elektrolumineszcens
Ebben a példában a Termikus diffúziós képességA hővezető képesség (a mm2/s egységgel) egy anyagspecifikus tulajdonság, amely az instacionárius hővezetés jellemzésére szolgál. Ez az érték azt írja le, hogy egy anyag milyen gyorsan reagál a hőmérsékletváltozásra.termikus diffúziós képesség egy PEDOT: PSS vékonyréteg (70 nm) mérése a NanoTR 2. ábra) segítségével történt. A mintát 0,5 mm-es kvarcüveg szubsztráton spin coating eljárással alakítottuk ki, és Al-rétegek közé helyeztük.
Elemzés
A hőmérséklet-előzménygörbéket a következő egyenlet segítségével illesztjük a hátsó felület fűtésére adott elülső felületi hőmérséklet-válaszra [2], hogy megkapjuk a τf hődiffúziós időt.
Itt α az amplitúdó, γ pedig a virtuális hőforrás intenzitása. Mivel a hőmérséklet-történeti görbe függőleges tengelye relatív, α egy tetszőleges paraméter, amelyet görbeillesztéssel határozunk meg.
a γ-t a vékonyréteg és a hordozó közötti termikus hatásfok határozza meg, és -1 és 1 között mozog. Ha a hordozó termikus hatásfoka rendkívül nagy small és a vékonyréteg hőszigeteltnek tekinthető, akkor γ=1. Ha a film és a szubsztrát termikus hatékonysága egyenlő (beleértve azt is, amikor a film és a szubsztrát egyenlő és félig végtelen), γ = 0. Ha a szubsztrát termikus hatékonysága rendkívül nagy large és a film és a szubsztrát közötti határfelület IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus, γ = 1. A vékonyréteg és a szubsztrát közötti határfelület IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus, γ = 1. A vékonyréteg és a szubsztrát közötti határfelület IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus.
Többrétegű filmek esetében a hődiffúziós képesség elemzése a hőmérséklet-történeti görbék alapján történik, a területi hődiffúziós idők felhasználásával* 3. ábra [3].
A területi hődiffúziós időelemzés szerint és a rétegek közötti határfelületi hőellenállással együtt háromrétegű film esetén az A területi hődiffúziós időt a (3) egyenlet adja meg.
C: térfogati hőkapacitás (a Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás és a SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség szorzata)
d: filmvastagság, k: Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség, R: határfelületi hőellenállás, a Z és M indexek a tárgyi rétegre és a Mo rétegre utalnak mindkét oldalon
Ha egy háromrétegű filmben egy Z tárgyréteget Mo rétegek közé helyezünk és RF üzemmódban mérjük, akkor a Z réteg kZ hővezetési tényezője és a Z réteg és a Mo rétegek közötti RZ-M határfelületi hőellenállás egyaránt ismeretlen érték.
Ezeket az értékeket a τf hődiffúziós idők mérésével határozzuk meg (a területi hődiffúziós időket ezekből az értékekből határozzuk meg) több olyan film esetében, amelyek esetében a vizsgált filmek minőségileg azonosak, de különböző vastagságúak. A területi hődiffúziós időket ezután a vastagság függvényében határozzuk meg az egyenlet illesztésével.
A vizsgált vékonyréteg λ hővezetési tényezőjét a jobb oldali egyenlet segítségével határozzuk meg.
1. táblázat: Elemzési eredmények
Minta név | Al/PEDOT/Al Hődiffúziós idő | Al/PEDOT/Al Területi hődiffúziós idő | PEDOT Hődiffúziós képesség | 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 |
Teszteredmények
A hőmérséklet-előzménygörbe a 4. ábrán látható. Amint az 1. táblázatban látható, a háromrétegű analízis alkalmazásával a PEDOT-réteg Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességét 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK) értékben számították ki a korábban ismertetett többrétegű analízis segítségével.
Következtetés
A Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség a PEDOT: PSS vékonyfilmet a NanoTR segítségével mértük RF üzemmódban.
Különösen a szerves vékonyrétegek mérésénél kell minimalizálni a vékonyréteg impulzusfűtés okozta termikus károsodásának kockázatát.
A NanoTR esetében a hőmérséklettörténeti görbét az egyes eredmények összegzéseként kapjuk (jellemzően 10 000-szer egy perc alatt) a periodikus impulzusfényes fűtés esetén. A tényleges impulzusenergia mindössze néhány nJ, és nem okoz termikus károsodást a mintában.
A vékonyrétegek NanoTR segítségével történő méréséhez a periodikus impulzusfény-fűtés nagy előnyt jelent a kereskedelemben kapható TDTR-rendszerekkel szemben, amelyek nagy impulzusenergiájú, egyszeri impulzusfűtésen alapulnak.