Introduzione
L'Istituto Nazionale Giapponese di Scienza e Tecnologia Industriale Avanzata (AIST) ha sviluppato una tecnica di misurazione chiamata "metodo di termoriflettanza con riscaldamento a luce pulsata", che è una versione più veloce del metodo del flash laser, riuscendo così a misurare le proprietà termofisiche dei film sottili prima di altre aziende nel mondo.
Il metodo di TermoreflettanzaLa termoriflettanza è un metodo per determinare la diffusività termica e la conduttività termica di film sottili con spessori dell'ordine dei nanometri.termoreflettanza con riscaldamento a luce pulsata, uno dei metodi di TermoreflettanzaLa termoriflettanza è un metodo per determinare la diffusività termica e la conduttività termica di film sottili con spessori dell'ordine dei nanometri.termoreflettanza nel Dominio del tempoL'analisi nel dominio del tempo si basa sui cambiamenti dei segnali fisici in relazione al tempo. Un grafico nel dominio del tempo mostra come un segnale cambia nel tempo. Nel caso della termoreflettanza o del metodo del flash laser, il segnale del rivelatore (variazione di tensione) viene registrato - al minimo - nell'intervallo di tempo tra l'immissione di energia e il massimo del segnale (ad esempio, modalità RF) o in funzione del tempo di diffusione del calore previsto (ad esempio, modalità FF).dominio del tempo (TDTR), è una tecnica in cui un film sottile formato su un substrato viene riscaldato istantaneamente irradiandolo con un laser pulsato a picosecondi o nanosecondi, e la variazione di temperatura ad alta velocità dovuta alla diffusione termica dopo il riscaldamento viene misurata dalla variazione di intensità riflessa della luce laser per la misurazione della temperatura.
Riscaldamento posteriore/riscaldamento anteriore rispetto al riscaldamento anteriore/rilevamento anteriore
Esistono due tipi di questo metodo: Una disposizione in cui il campione viene riscaldato dal lato del substrato trasparente (nel caso della luce infrarossa, anche il Si è un substrato trasparente) e viene misurato l'aumento di temperatura della superficie del campione (modalità di riscaldamento posteriore/rilevamento anteriore (RF), fig. 1b), e una disposizione in cui la superficie del campione viene riscaldata e viene misurato l'aumento di temperatura della stessa posizione sulla superficie del campione (modalità di riscaldamento anteriore/rilevamento anteriore (FF), fig. 1a).
In linea di principio, la modalità RF è identica al metodo laser flash, che è il metodo standard di misurazione della Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica per i materiali sfusi, e presenta un'eccellente affidabilità quantitativa. A differenza della modalità RF, la modalità FF può misurare film sottili su substrati opachi ed è importante come tecnica di misura pratica.
Dalla scoperta dei polimeri conduttivi (poliacetilene drogato) da parte dei premi Nobel H. Shirakawa, A. J. Heeger e A.G. MacDiarmid [1], essi sono stati ampiamente sviluppati e utilizzati in vari prodotti come pellicole antistatiche, condensatori elettrolitici solidi e EL* organici. Più recentemente, l'attenzione si è concentrata sullo sviluppo di transistor organici e materiali termoelettrici organici e si prevede che il polistirene solfonato di poli (3,4-etilendiossitiofene) (PEDOT: PSS) si rivelerà un materiale promettente per questa applicazione.
L'efficienza dei materiali termoelettrici è rappresentata dalla cifra di merito adimensionale, ZT. La cifra di merito adimensionale, ZT, è espressa da ZT=S2T/(ρ-κ), dove S(V/K) è il coefficiente di Seebeck, ρ(Ω-m) è la Resistività elettricaLa resistività elettrica o resistenza elettrica è una proprietà fondamentale dei materiali che quantifica la forza con cui un determinato materiale si oppone al flusso di corrente elettrica.resistività elettrica, κ(W/(m-K)) è la conducibilità termica e T(K) è la temperatura assoluta.
*EL organico: elettroluminescente organico
In questo esempio, la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica di un film sottile di PEDOT: PSS (70 nm) è stata misurata mediante NanoTR figura 2). Il campione è stato formato su un substrato di vetro di quarzo di 0,5 mm mediante spin coating e inserito tra strati di Al.
Analisi
Le curve della storia della temperatura vengono adattate alla seguente equazione per la risposta della temperatura della superficie anteriore al riscaldamento della superficie posteriore [2] per ottenere il tempo di diffusione del calore τf.
Qui α è l'ampiezza e γ è l'intensità di una fonte di calore virtuale. Poiché l'asse verticale della curva della storia della temperatura è relativo, α è un parametro arbitrario determinato dall'adattamento della curva.
γ è determinato dall'effusività termica tra il film sottile e il substrato ed è compreso tra -1 e 1. Quando l'effusività termica del substrato è estremamente small e il film sottile può essere visto come isolato termicamente, γ=1. Quando l'effusività termica del film e del substrato sono uguali (compreso il caso in cui il film e il substrato sono uguali e semi-infiniti), γ = 0. Quando l'effusività termica del substrato è estremamente large e l'interfaccia tra il film e il substrato è isotermica, γ=-1.
Per i film multistrato, l'analisi della Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica si basa sulle curve storiche di temperatura utilizzando i tempi di diffusione del calore areale* figura 3 [3].
In base all'analisi del tempo di diffusione termica areale e includendo la resistenza termica interfacciale tra gli strati, per un film a tre strati, il tempo di diffusione termica areale A è dato dall'equazione (3).
C: capacità termica volumetrica (prodotto dellaCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica e della densità)
d: spessore del film, k: Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica, R: resistenza termica interfacciale, i pedici Z e M si riferiscono allo strato soggetto e allo strato Mo su entrambi i lati
Quando uno strato soggetto Z è inserito tra strati Mo in un film a tre strati e viene misurato in modalità RF, la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica kZ dello strato Z e la resistenza termica interfacciale RZ-M tra lo strato Z e gli strati Mo sono entrambi valori sconosciuti.
Questi valori sono determinati misurando i tempi di diffusione del calore τf (i tempi di diffusione del calore areale sono determinati da questi valori) per più film per i quali i film soggetti sono qualitativamente uguali ma hanno spessori diversi. I tempi di diffusione del calore areale vengono quindi determinati in funzione dello spessore mediante l'adattamento dell'equazione.
La Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica λ del film sottile in esame viene determinata utilizzando l'equazione a destra.
Tabella 1: Risultati dell'analisi
Campione nome | Al/PEDOT/Al Tempo di diffusione del calore | Al/PEDOT/Al Tempo di diffusione del calore | 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 |
Risultati del test
La curva della storia della temperatura è mostrata in figura 4. Come mostrato nella tabella 1, applicando l'analisi a tre strati, la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica dello strato di PEDOT è stata calcolata come 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK) utilizzando l'analisi multistrato descritta in precedenza.
Conclusione
La conducibilità termica del film sottile di PEDOT: PSS è stata misurata da NanoTR in modalità RF.
Soprattutto per la misurazione di film sottili organici, è necessario ridurre al minimo il rischio di danni termici al film sottile causati dal riscaldamento a impulsi.
Nel caso di NanoTR, la curva della storia della temperatura è ottenuta come somma di ogni risultato (in genere 10.000 volte in un minuto) per il riscaldamento periodico a luce pulsata. L'energia effettiva dell'impulso è solo di alcuni nJ e non causa alcun danno termico al campione.
Per la misurazione di film sottili tramite NanoTR, il riscaldamento periodico a luce pulsata presenta un grande vantaggio rispetto ad altri sistemi TDTR disponibili in commercio, che si basano sul riscaldamento a singolo impulso con un'elevata energia di impulso.