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 thermoreflectantiemethode met gepulseerd licht, 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.
De unieke eigenschap van de TDTR die door AIST is ontwikkeld, is zijn brede observatietijdbereik tot 50 ns via een uniek elektrisch vertragingssysteem, terwijl de meeste TDTR-systemen een optisch vertragingssysteem gebruiken dat verschijnselen slechts tot 10 ns kan observeren; dit verplicht de gebruiker om elke keer een zeer moeilijke optische afstelling uit te voeren.
Achterverwarming/Voorverwarming Versus Voorverwarming/VoorverwarmingDetectie
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. 1a), 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. 1b).
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 het belangrijk als praktische meettechniek.
In dit voorbeeld werd een diamantfilm van 4 μm dikte gemeten met PicoTR (figuur 2) gebaseerd op het principe van TDTR.
De diamantfilm heeft een ongeëvenaard hoog warmtegeleidingsvermogen, wat veelbelovend is voor toepassing in vermogensapparaten met hoge stroomdichtheid zoals warmtespreiders.
Het monster werd vervaardigd op een alkalivrij glas met een dikte van 1 mm. Een 100-nm dikke Mo-film werd op het diamantoppervlak gesputterd.
Het belangrijkste punt van deze meting was om te bepalen of het oppervlak glad was of niet. Als het oppervlak ruw is, verstrooit de sondelaser en kan het gereflecteerde licht niet worden gedetecteerd. Zoals te zien is in figuur 3, hoewel het oppervlak van de diamantfilm een beetje ruw is, was het mogelijk om een goed S/N thermisch reflectiesignaal te verkrijgen.
Meetresultaten
De meting werd uitgevoerd in de FF-modus en geanalyseerd met de PicoTR Thermal Simulator software (tabel 1). Uit de drielagenanalyse werd 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 de diamantlaag berekend op 90 W/(m-K) en de thermische interfaceweerstand tussen de Mo- en diamantlagen werd bepaald op 6,0x10-9m2-K/W.
De warmtediffusietijd van de diamantfilm kan worden geschat op 200 ns door de vergelijking van:
Warmte diffusietijd = (dikte)2/(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)
die de afkoeltijd van deze laag weergeeft.
Tabel 1: Analyseresultaten
Monster naam | Mo/diamant Interfaciale thermische weerstand Rm-f m²-K/W | Diamant Thermisch rendement bf J/(m²-s0,5-K) | Diamant Warmtegeleidingscoëfficiënt λf W/(m-K) | Diamant/Glas Interfaciale thermische weerstand Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Diamant | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
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 een diamantfilm van 4 μm dikte op een glassubstraat werd gemeten met PicoTR.
Zoals te zien is in figuur 4, is de verkregen 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 1/10 van de literatuurwaarde voor bulkmateriaal van diamant. Dit is te verwachten door de fononverstrooiing tussen de korrelgrenzen van diamant of door de imperfecte structuur. Dit voorbeeld toont het belang aan van dunne-filmmetingen voor het nauwkeurige thermische ontwerp van elektrische apparaten.
Vanwege de hoge 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 diamant kan dit monster alleen worden gemeten in de FF-modus van de PicoTR.
Bij het meten van diamantfilms met de NanoTR, maakt het coaten van beide zijden van de diamantlaag met molybdeen het mogelijk om de RF-methode te gebruiken.
