Inleiding
Het Japanse nationale instituut voor geavanceerde industriële wetenschap en technologie (AIST) heeft een meettechniek ontwikkeld met de naam "gepulseerde lichtverwarming thermoreflectiemethode", die een snellere versie is van de laserflitsmethode, en is er daarmee in geslaagd om de thermofysische eigenschappen van dunne films te meten vóór andere bedrijven in de wereld.
De gepulseerde lichtverwarming thermoreflectantiemethode, een van de TDTR-methoden (Time Domain Thermoreflectance), is een techniek waarbij een dunne film die op een substraat is gevormd, onmiddellijk wordt verwarmd door deze te bestralen met een gepulseerde laser met picoseconde of nanoseconde, en de snelle temperatuurverandering als gevolg van Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie na verwarming wordt gemeten door de gereflecteerde intensiteitsverandering van laserlicht voor temperatuurmeting.
Achterverwarming/Voorverwarming Versus Voorverwarming/VoorDetectie
Er zijn twee soorten van deze methode: Een opstelling waarbij het monster wordt verwarmd vanaf de transparante substraatzijde (in het geval van infrarood licht is Si ook een transparant substraat) en de temperatuurstijging van het monsteroppervlak wordt gemeten (Rear heating / Front detection (RF) mode, fig. 1b), en een opstelling waarbij het monsteroppervlak wordt verwarmd en de temperatuurstijging van dezelfde locatie op het monsteroppervlak wordt gemeten (Front heating / Front detection (FF) mode, fig. 1a).
In principe is de RF modus identiek aan de laser flash methode, de standaard Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie meetmethode voor bulkmaterialen, en heeft een uitstekende kwantitatieve betrouwbaarheid. In tegenstelling tot de RF modus, kan de FF modus dunne films op ondoorzichtige substraten meten en is belangrijk als praktische meettechniek.
Sinds de ontdekking van geleidende polymeren (gedopeerd polyacetyleen) door de Nobelprijswinnaars H. Shirakawa, A. J. Heeger en A.G. MacDiarmid [1], zijn ze uitgebreid ontwikkeld en gebruikt in verschillende producten zoals antistatische films, vaste elektrolytische condensatoren en organische EL*. Meer recent is de aandacht meer gericht op de ontwikkeling van organische transistoren en organische thermo-elektronische materialen, en de verwachting is dat poly(3,4-ethyleendioxythiofeen) polystyreensulfonaat (PEDOT: PSS) een veelbelovend materiaal voor deze toepassing zal blijken te zijn.
Het rendement van thermo-elektrische materialen wordt weergegeven door het dimensieloze getal van verdienste, ZT. Het dimensieloze getal van verdienste, ZT, wordt uitgedrukt door ZT=S2T/(ρ-κ), waarbij S(V/K) de Seebeck coefficient is, ρ(Ω-m) de Elektrische weerstandElektrische weerstand of elektrische weerstand is een fundamentele materiaaleigenschap die aangeeft hoe sterk een bepaald materiaal elektrische stroom tegenhoudt.elektrische weerstand, κ(W/(m-K)) de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid en T(K) de absolute temperatuur.
*Organische EL: organische elektroluminescentie
In dit voorbeeld werd de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie van een PEDOT: PSS dunne film (70 nm) gemeten met behulp van NanoTR figuur 2). Het monster werd gevormd op een kwartsglazen substraat van 0,5 mm door middel van spincoating en ingeklemd tussen Al-lagen.
Analyse
De temperatuurverloopcurven worden aangepast met de volgende vergelijking voor de temperatuurreactie van het vooroppervlak op verwarming van het achteroppervlak [2] om de warmtediffusietijd τf te verkrijgen.
Hier is α de amplitude en γ de intensiteit van een virtuele warmtebron. Omdat de verticale as van de curve van het temperatuurverloop relatief is, is α een arbitraire parameter die wordt bepaald door fitting van de curve.
γ wordt bepaald door de thermische effusiviteit tussen de dunne film en het substraat, en ligt tussen -1 en 1. Als de thermische effusiviteit van het substraat extreem small is en de dunne film als thermisch geïsoleerd kan worden beschouwd, is γ=1. Wanneer de thermische effusiviteit van de film en het substraat gelijk zijn (ook wanneer de film en het substraat gelijk en half-eindig zijn), is γ = 0. Wanneer de thermische effusiviteit van het substraat extreem large is en het grensvlak tussen de film en het substraat IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm, is γ=-1.
Voor meerlaagse films is de analyse van de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie gebaseerd op temperatuurverloopcurves met behulp van areale warmtediffusietijden* figuur 3 [3].
Volgens de areale warmtediffusietijdanalyse en met inbegrip van de interfaciale thermische weerstand tussen de lagen, wordt voor een drielagige film de areale warmtediffusietijd A gegeven door vergelijking (3).
C: volumetrische warmtecapaciteit (product van Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit en DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid)
d: filmdikte, k: Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie, R: interfaciale thermische weerstand, subscripts Z en M verwijzen naar subjectlaag en Mo-laag aan beide zijden
Wanneer een subjectlaag Z ingeklemd zit tussen Mo-lagen in een drielagige film en gemeten wordt met de RF-modus, zijn de warmtediffusie kZ van laag Z en de interfaciale thermische weerstand RZ-M tussen laag Z en de Mo-lagen beide onbekende waarden.
Deze waarden worden bepaald door de warmtediffusietijden τf te meten (de areale warmtediffusietijden worden uit deze waarden bepaald) voor meerdere films waarbij de betreffende films kwalitatief hetzelfde zijn maar verschillende diktes hebben. De oppervlaktediffusietijden worden dan bepaald als functie van de dikte door de vergelijking te passen.
De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid λ van de dunne film wordt bepaald met de vergelijking rechts.
Tabel 1: Analyseresultaten
Monster naam | Al/PEDOT/Al Warmteverspreidingstijd | Al/PEDOT/Al Areale warmtediffusietijd | PEDOT | PEDOT Thermisch geleidingsvermogen |
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 |
Testresultaten
De temperatuurverloopcurve wordt getoond in figuur 4. Zoals weergegeven in tabel 1 werd de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie van de PEDOT-laag door toepassing van een drielagenanalyse berekend als 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK) met behulp van de eerder beschreven meerlagenanalyse.
Conclusie
De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van PEDOT: PSS dunne film werd gemeten met NanoTR in RF-modus.
Vooral bij het meten van organische dunne films moet het risico van thermische schade aan de dunne film door pulsverwarming geminimaliseerd worden.
In het geval van NanoTR wordt de curve van het temperatuurverloop verkregen als de som van elk resultaat (meestal 10.000 keer in een minuut) voor de periodieke verwarming met gepulseerd licht. De werkelijke pulsenergie is slechts enkele nJ en veroorzaakt geen thermische schade aan het monster.
Voor het meten van dunne lagen met NanoTR heeft periodiek gepulseerde lichtverwarming een groot voordeel ten opzichte van andere commercieel verkrijgbare TDTR systemen, die gebaseerd zijn op enkelvoudige pulsverwarming met hoge pulsenergie.