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 yang dipantulkan dari sinar laser untuk pengukuran suhu.
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. 1b), 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. 1a).
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.
Sejak ditemukannya polimer konduktif (doped polyacetylene) oleh pemenang hadiah Nobel H. Shirakawa, AJ Heeger dan AG MacDiarmid [1], polimer ini telah dikembangkan secara luas dan digunakan dalam berbagai produk seperti film antistatik, kapasitor elektrolit padat, dan EL* organik. Baru-baru ini, fokusnya lebih pada pengembangan transistor organik dan bahan termoelektronik organik, dan diharapkan poli (3,4- ethylenedioxythiophene) polistiren sulfonat (PEDOT: PSS) akan menjadi bahan yang menjanjikan untuk aplikasi ini.
Efisiensi bahan termoelektrik diwakili oleh angka prestasi tanpa dimensi, ZT. Angka prestasi tak berdimensi, ZT, dinyatakan dengan ZT = S2T/ (ρ-κ), di mana S (V / K) adalah Koefisien SeebeckKoefisien Seebeck adalah rasio tegangan termoelektrik yang diinduksi terhadap perbedaan suhu antara dua titik pada konduktor listrik.koefisien Seebeck, ρ (Ω - m) adalah Tahanan ListrikResistivitas listrik atau hambatan listrik adalah properti material mendasar yang mengukur seberapa kuat material tertentu melawan aliran arus listrik.resistivitas listrik, κ (W / (m - K)) adalah 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, dan T (K) adalah suhu absolut.
*EL Organik: electroluminescent organik
Dalam contoh ini, 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 dari film tipis PEDOT: PSS (70 nm) diukur dengan menggunakan NanoTR gambar 2). Sampel dibentuk pada substrat kaca kuarsa 0,5 mm dengan spin coating, dan diapit di antara lapisan Al.
Analisis
Kurva riwayat suhu disesuaikan dengan persamaan berikut untuk respons suhu permukaan depan terhadap pemanasan permukaan belakang [2] untuk mendapatkan waktu difusi panas τf.
Di sini α adalah amplitudo, dan γ adalah intensitas sumber panas virtual. Karena sumbu vertikal kurva riwayat suhu bersifat relatif, α adalah parameter sembarang yang ditentukan oleh penyesuaian kurva.
γ ditentukan oleh efusivitas termal antara film tipis dan substrat, dan berkisar antara -1 dan 1. Ketika efusivitas termal substrat sangat small dan film tipis dapat dipandang sebagai terisolasi secara termal, γ = 1. Ketika efusivitas termal film dan substrat sama (termasuk ketika film dan substrat sama dan semi-terbatas), γ = 0. Ketika efusivitas termal substrat sangat large dan antarmuka antara film dan substrat IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal, γ = -1. Ketika efusivitas termal substrat sangat dan antarmuka antara film dan substrat IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal, γ = -1.
Untuk film multilayer, analisis 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 didasarkan pada kurva riwayat suhu menggunakan waktu difusi panas areal* gambar 3 [3].
Menurut analisis waktu difusi panas areal dan termasuk hambatan termal antarmuka antar lapisan, untuk film tiga lapis, waktu difusi panas areal A diberikan oleh persamaan (3).
C: kapasitas panas volumetrik (hasil kali antara Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen. kapasitas panas spesifik dan densitas)
d: ketebalan film, k: 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, R: resistansi termal antarmuka, subskrip Z dan M mengacu pada lapisan subjek dan lapisan Mo di kedua sisi
Apabila lapisan subjek Z diapit di antara lapisan Mo dalam film tiga lapis dan diukur dengan menggunakan mode RF, maka 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 kZ dari lapisan Z dan resistansi termal antarmuka RZ-M antara lapisan Z dan lapisan Mo, keduanya merupakan nilai yang tidak diketahui.
Nilai-nilai ini ditentukan dengan mengukur waktu difusi panas τf (waktu difusi panas areal ditentukan dari nilai-nilai ini) untuk beberapa film yang secara kualitatif sama tetapi memiliki ketebalan yang berbeda. Waktu difusi panas areal kemudian ditentukan sebagai fungsi ketebalan dengan mencocokkan persamaan.
Konduktivitas termal λ dari film tipis subjek ditentukan dengan menggunakan persamaan di sebelah kanan.
Tabel 1: Hasil Analisis
Sampel nama | Al/PEDOT/Al Waktu difusi panas | Al/PEDOT/Al Waktu difusi panas area | 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 |
Hasil Tes
Kurva riwayat suhu ditunjukkan pada gambar 4. Seperti yang ditunjukkan pada tabel 1, dengan menerapkan analisis tiga lapisan, 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 lapisan PEDOT dihitung sebagai 6,9x10-8m2 /s(0,21 W / mxK) menggunakan analisis berlapis yang dijelaskan sebelumnya.
Kesimpulan
Konduktivitas termal dari PEDOT: PSS diukur oleh NanoTR dalam mode RF.
Khusus untuk pengukuran film tipis organik, risiko kerusakan termal pada film tipis yang disebabkan oleh pemanasan pulsa harus diminimalkan.
Dalam kasus NanoTR, kurva riwayat suhu diperoleh sebagai penjumlahan dari setiap hasil (biasanya 10.000 kali dalam satu menit) untuk pemanasan cahaya berdenyut secara berkala. Energi pulsa yang sebenarnya hanya beberapa nJ dan tidak menyebabkan kerusakan termal pada sampel.
Untuk pengukuran film tipis dengan NanoTR, pemanasan cahaya berdenyut periodik memiliki keuntungan besar dibandingkan sistem TDTR lain yang tersedia secara komersial, yang didasarkan pada pemanasan pulsa tunggal dengan energi pulsa tinggi.