Pengukuran Efusivitas Termal pada Film Berlian dengan Cara PicoTR

Pendahuluan

Institut Sains dan Teknologi Industri Maju Nasional Jepang (AIST) telah mengembangkan teknik pengukuran yang disebut "metode Lebih banyak lagi pantulanThermoreflectance adalah metode untuk menentukan difusivitas termal dan konduktivitas termal film tipis dengan ketebalan dalam kisaran nanometer.termorefleksi pemanasan cahaya berdenyut", yang merupakan versi yang lebih cepat dari metode laser flash, dan dengan demikian berhasil mengukur sifat termofisik film tipis lebih dulu daripada perusahaan lain di dunia.

Metode Lebih banyak lagi pantulanThermoreflectance adalah metode untuk menentukan difusivitas termal dan konduktivitas termal film tipis dengan ketebalan dalam kisaran nanometer.termorefleksi pemanasan cahaya berdenyut, salah satu metode Time Domain Thermoreflectance (TDTR), adalah teknik di mana film tipis yang terbentuk pada substrat dipanaskan secara instan dengan menyinari dengan laser berdenyut pikodetik atau nanodetik, dan perubahan suhu berkecepatan tinggi akibat difusi termal setelah pemanasan diukur dengan perubahan intensitas pantulan sinar laser untuk pengukuran suhu.

Fitur unik TDTR yang dikembangkan oleh AIST yaitu, rentang waktu pengamatan yang luas hingga 50 ns melalui sistem penundaan listrik yang unik, sedangkan sebagian besar sistem TDTR menggunakan sistem penundaan optik yang mampu mengamati fenomena hanya hingga 10 ns; hal ini mengharuskan pengguna untuk melakukan penyesuaian optik yang sangat sulit setiap kali.

Pemanasan Belakang / Pemanasan Depan Versus Pemanasan Depan / DepanDeteksi

Ada dua jenis metode ini: Pengaturan di mana sampel dipanaskan dari sisi substrat transparan (dalam kasus cahaya inframerah, Si juga merupakan substrat transparan) dan kenaikan suhu permukaan sampel diukur (Mode pemanasan belakang / Deteksi depan (RF), gbr. 1a), dan pengaturan di mana permukaan sampel dipanaskan dan kenaikan suhu pada lokasi yang sama pada permukaan sampel diukur (Mode pemanasan depan / Deteksi depan (FF), gbr. 1b).

Pada prinsipnya, mode RF identik dengan metode laser flash, yang merupakan metode pengukuran Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal standar untuk bahan curah, dan memiliki keandalan kuantitatif yang sangat baik. Berlawanan dengan mode RF, mode FF dapat mengukur film tipis pada substrat buram dan penting sebagai teknik pengukuran yang praktis.

Dalam contoh ini, film berlian dengan ketebalan 4 μm diukur dengan menggunakan PicoTR (gambar 2) berdasarkan prinsip TDTR.

Film berlian memiliki Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal tinggi yang tak tertandingi, yang menjanjikan untuk diimplementasikan pada perangkat daya dengan KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan arus tinggi seperti penyebar panas.

Sampel dibuat pada kaca bebas alkali dengan ketebalan 1 mm. Film Mo setebal 100-nm disapukan ke permukaan berlian.

Poin utama dari pengukuran ini adalah untuk menentukan apakah permukaannya halus atau tidak. Jika permukaannya kasar, laser probe akan menyebar dan cahaya yang dipantulkan tidak dapat dideteksi. Seperti ditunjukkan dalam gambar 3, meskipun permukaan film berlian agak kasar, namun masih memungkinkan untuk menghasilkan sinyal pantulan termal S/N yang bagus.

Hasil Pengukuran

Pengukuran dilakukan dalam mode FF dan dianalisis dengan perangkat lunak PicoTR Thermal Simulator (tabel 1). Dari analisis tiga lapisan, Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal lapisan berlian dihitung 90 W/(m-K), dan resistansi termal antarmuka antara lapisan Mo dan berlian ditentukan sebesar 6,^0x10-9m2-K/W.

Waktu difusi panas dari film berlian dapat diperkirakan 200 ns dengan persamaan:

Waktu difusi panas = (ketebalan^{)2 /}(Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal)

yang mewakili waktu pendinginan lapisan ini.

Tabel 1: Hasil analisis

Kesimpulan

Konduktivitas termal film berlian dengan ketebalan 4 μm pada substrat kaca diukur dengan menggunakan PicoTR.

Seperti yang dapat dilihat pada gambar 4, Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang diperoleh adalah 1/10 dari nilai literatur untuk bahan curah berlian. Hal ini dapat diperkirakan karena hamburan fonon antara batas butir intan atau struktur yang tidak sempurna. Contoh ini menunjukkan pentingnya pengukuran film tipis untuk desain termal yang akurat dari perangkat listrik.

Karena Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal berlian yang tinggi, sampel ini hanya dapat diukur dalam mode FF dari PicoTR.

Ketika mengukur film berlian dengan NanoTR, melapisi kedua sisi lapisan berlian dengan molibdenum memungkinkan untuk menggunakan metode RF.