SUCCESVERSLAG VAN KLANT
Doorbraken mogelijk maken in onderzoek naar thermische transistors
Het mogelijk maken van doorbraken in thermische transistoronderzoek: Ontdek hoe de universiteit van Hokkaido de NETZSCH PicoTR gebruikt om de grenzen van dunne-filmmetingen te verleggen
Aan de Hokkaido Universiteit lopen Prof. Hiromichi Ohta en zijn team voorop in het onderzoek naar elektrochemische thermische transistoren in vaste fase. Met behulp van de NETZSCH PicoTR analyzer kunnen ze de thermofysische eigenschappen van ultradunne films nauwkeurig meten - een belangrijke stap in de richting van de volgende generatie technologieën voor thermisch beheer.
In dit succesverhaal interviewen we onze langetermijnklant Prof. Hiromichi Ohtadirecteur van het Research Institute for Electronic Science van de Hokkaido Universiteit in Japan. Hij gebruikt het NETZSCH PicoTR instrument om dunne films te meten die worden toegepast in thermische transistors. Zijn onderzoekslaboratorium aan de Hokkaido Universiteit was de eerste die elektrochemische thermische transistoren in vaste toestand ontwikkelde.
Het interview werd afgenomen door Narumi Fukuda en Kazuko Ishikawa (NETZSCH Japan)
Over de geïnterviewde, Prof. Hiromichi Ohta
Hiromichi Ohta (figuur 1) werd geboren in 1971. Hij studeerde in maart 1994 af aan de faculteit Engineering van de Saitama Universiteit. Nadat hij in maart 1996 zijn mastergraad in toegepaste scheikunde had behaald aan de Graduate School of Engineering van de Nagoya University, werkte hij als onderzoeker bij het Soft Energy Technology Development Laboratory van Sanyo Electric Co., Ltd. en als onderzoeker bij het R&D Center for Advanced Technology van HOYA Corporation. Hij was ook groepsleider van het ERATO Hosono Transparent ElectroActive Materials Project.
In 2003 werd hij universitair hoofddocent aan de Nagoya University's Graduate School of Engineering. In 2012 werd hij hoogleraar aan het Hokkaido University's Research Institute for Electronic Science, een functie die hij vandaag de dag nog steeds bekleedt. Sinds 2025 is hij directeur van het Research Institute for Electronic Science. Hij heeft een Ph.D. in Engineering van het Tokyo Institute of Technology (2001).
Zijn belangrijkste onderzoeksgebieden zijn thermische transistors (thermische schakelaars), thermo-elektrische conversiematerialen en oxide dunnefilmtransistors. Hij is de auteur van meer dan 280 collegiaal getoetste publicaties, die meer dan 24.800 keer zijn geciteerd, met een H-index van 61.
Over het Research Institute for Electronic Science (RIES)
Het Research Institute for Electronic Science (RIES) aan de universiteit van Hokkaido (figuur 2) werd oorspronkelijk in 1943 opgericht als het Ultra Shortwave Research Institute. Later werd het Instituut voor Toegepaste Elektriciteit en in 1993 kreeg het zijn huidige naam. Door middel van geavanceerd onderzoek en onderwijs blijft RIES bijdragen aan de vooruitgang van de elektronische wetenschap.
RIES bestaat uit drie belangrijke onderzoeksdivisies: de divisie Fotonica en Optische Wetenschappen, de divisie Materiaal- en Moleculaire Wetenschappen en de divisie Levenswetenschappen. Daarnaast is er het Green Nanotechnology Research Center en het Research Center of Mathematics for Social Creativity.
Waarom de NETZSCH PicoTR ?
NETZSCH: Prof. Ohta, waarom hebt u een NETZSCH instrument gekozen voor uw onderzoek? Vertel ons iets meer over uw analysedoelstellingen en de belangrijkste factoren die uw beslissing hebben beïnvloed.
Prof. Ohta:
"Ik doe al heel lang onderzoek naar dunne films. Als het gaat om thermo-elektrische conversietechnologie, is het meten van 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 essentieel. Voor de ontwikkeling van de PicoTRdacht ik: "Het meten van dunne films was moeilijk", "Alleen gespecialiseerde mensen konden ze meten" en "Er waren geen apparaten beschikbaar om dunne films te meten"
Mensen adviseerden me vaak: "Waarom meet je niet met de 3-omega methode?" Maar de perceptie was sterk dat dit onmogelijk zou zijn zonder de technologie voor metalen fijnlijnpatronen.
Toen de PicoTR echter werd uitgebracht, hoorde ik er al snel over en er gingen geruchten dat "dit apparaat dunne films schijnt te kunnen meten" Op dat moment kreeg ik toevallig een onderzoeksbeurs die ik had aangevraagd, dus ik besloot om de PicoTR (figuur 3) te gebruiken en introduceerde het op ons instituut. Met succes!
Tegenwoordig doe ik onderzoek naar dunne films om elektrochemische thermische transistoren in vaste vorm te ontwikkelen. Ik denk dat de PicoTR perfect geschikt is om die te meten."
Unieke functies die het verschil maken
NETZSCH: Zijn er eigenschappen van het PicoTR systeem dat u gebruikt die bijzonder nuttig zijn voor uw specifieke toepassing?
Prof. OHTA:
"Een van de unieke eigenschappen van de PicoTR is de vertragingstijd van 50 nanoseconden. Toen ik deze gegevens op een internationale conferentie presenteerde, kreeg ik vaak de vraag: "Was dat geen vergissing? Moest het niet 5 nanoseconden zijn?" Onderzoekers bij andere instituten schijnen alleen apparaten te hebben met een vertragingstijd van rond de 5 nanoseconden.
Als je in de FF-modus meet en de vertragingstijd op de horizontale as neemt, kun je het verval van het thermoreflectantiesignaal waarnemen (figuur 4). Er waren echter gegevens die voor het eerst konden worden waargenomen bij metingen tot 50 nanoseconden. Daarom vond ik het een beetje onhandig om metingen te doen met een apparaat dat maar tot 5 nanoseconden kan zien."
In de onderstaande figuur toont de blauwe lijn de gegevens die gemeten zijn door de PicoTR, en de rode lijn toont de gegevens die gepast zijn voor de analyse (figuur 5). Als de werkelijke meting en de aanpassing tot 50 nanoseconden overeenkomen, is het duidelijk dat de waarde van het analyseresultaat juist is. Als het alleen tot 5 nanoseconden zou kunnen meten, dan zou er enige onzekerheid in de resultaten zitten. Daarom denk ik dat de mogelijkheid om tot 50 nanoseconden te meten een van de sterke punten van de PicoTR is.
Prof. Ohta:
"Als ik lezingen geef in het buitenland, zitten er altijd studenten in het publiek die vergelijkbare systemen gebruiken en actief zijn als docent en professor op verschillende plaatsen, waaronder Hongkong, China en Korea. Als ze mijn gegevens zien, zijn ze altijd verbaasd en zeggen ze: "50 nanoseconden!? Is er geen extra nul?". Ik vind het geweldig dat de PicoTR het thermoreflectantiesignaal tot 50 nanoseconden kan waarnemen.
Een ander voordeel is dat je het NETZSCH systeem zelfs zonder diepgaande kennis kunt bedienen. Ik heb niet veel kennis over thermische analyse, dus zelfs als iemand me zou vertellen een thermisch analyse-instrument voor dunne films te bouwen en me de onderdelen zou geven, zou ik het nooit kunnen. (Hij lacht)
Onderzoekers en ingenieurs die gespecialiseerd zijn in thermische analyse verzamelen vaak zelf onderdelen, bouwen instrumenten en voeren zelf metingen uit. Dus die TDTR (Time-Domain Thermoreflectance) apparaten zijn meestal veel omvangrijker en meten slechts tot 5 nanoseconden. Met PicoTR, met zijn compacte ontwerp, kun je echter met één klik gegevens verkrijgen."
Commentaar van NETZSCH: Zoals u al aangaf, hebben mensen die met TDTR optische vertraging werken vaak moeite om laserstralen in de ruimte uit te lijnen, wat een hele uitdaging kan zijn. Wij denken dat een van de redenen waarom de PicoTR met elektrische vertraging gecommercialiseerd kan worden, is dat de uitlijning veel eenvoudiger is.
Van laboratoriumgegevens naar werkelijke impact
NETZSCH: Hoe hebben de analyseresultaten je onderzoek beïnvloed? Heeft u nieuwe inzichten kunnen verwerven of is er een geheel nieuwe ontwikkeling ontstaan?
Prof. Ohta:
"Ik denk niet dat we vastestof elektrochemische thermische transistoren op de markt hadden kunnen brengen zonder DE PicoTR.
Bij thermische transistoronderzoek is het noodzakelijk om de thermische transistor herhaaldelijk aan en uit te zetten en te meten hoe 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 verandert. Toen ik mijn paper voor het eerst indiende, voerde ik 10 herhaalde runs uit en was ik in staat om 10 metingen te doen, dus diende ik de paper in met die gegevens.
Tijdens het beoordelingsproces van een recenter artikel werd me echter gevraagd: "Meet alstublieft 10 tot de macht 6 (1 miljoen) keer." Dat is natuurlijk onredelijk, dus moest ik het terugbrengen tot 100 keer. Zelfs 100 keer was een hele uitdaging. Uiteindelijk besloot ik om elke 10 keer een meting te doen met de PicoTR. Op basis van deze ervaring realiseerde ik me dat het geweldig zou zijn als de PicoTR veranderingen in 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 zou kunnen voorspellen met behoud van zijn uitstekende prestaties."
Een visie voor de toekomst: De "thermische display
NETZSCH: Laten we eens in de toekomst kijken: Zijn er nog andere uitdagingen die u zou willen aangaan?
Prof. Ohta:
"Hoewel ik van plan ben om mijn huidige onderzoek voort te zetten, wil ik persoonlijk een "thermische display" ontwikkelen Als ik hier met mensen over praat, zeggen ze vaak: "Ik begrijp het niet helemaal" Maar dit is mijn visie op een "thermisch display":
Ik wil een schakelaar ontwikkelen die de thermische doorlaatbaarheid kan veranderen. Stel je elke pixel van de tekst (figuur 7) voor als een thermische schakelaar. Het oranje deel stelt een schakelaar voor die warmte gemakkelijk doorlaat, terwijl het zwarte deel een gebied voorstelt waar warmte niet doorlaat. In deze container zit gesmolten heet ijzer. Dit gesmolten ijzer is de warmtebron en het display maakt gebruik van een infraroodtechniek.
Ik wil een technologie ontwikkelen die de uitgestraalde warmte kan gebruiken om op een scherm weer te geven. De temperatuur in deze (geïllustreerde) kamer wordt verondersteld 100°C te zijn. Ik denk dat je normaal gesproken geen TV of beeldscherm in zo'n omgeving zou kunnen plaatsen. LCD's en OLED's zouden niet werken en ik stel me een scenario voor waarbij mensen niet in die omgeving kunnen werken.
In deze omgeving kunnen alleen robots werken. Deze robots vangen infraroodsignalen op en bewegen volgens de instructies op het scherm. Ik weet niet zeker of dit ooit gerealiseerd zal worden, maar ik hoop dit soort "thermische displays" te kunnen ontwikkelen Als ik er echter met experts over praat, begrijpen ze het niet, dus heb ik een grafisch ontwerper gevraagd om deze afbeelding te maken. (lacht) Ik heb ook geprobeerd om AI (zoals ChatGPT) te gebruiken om een afbeelding te maken, maar het kwam niet helemaal overeen met mijn visie."
Advies voor toekomstige PicoTR gebruikers
NETZSCH: Als u advies of waarschuwingen zou kunnen geven aan iemand die overweegt om PicoTR in te voeren, wat zou dat dan zijn?
Prof. Ohta:
"Wat betreft de selectie van monsters voor PicoTRzijn de dunne monsters die we gebruiken perfect. Ik denk echter niet dat PicoTR goed zou werken met dikkere preparaten of preparaten met een prominente oppervlakteruwheid. Soms krijgen we verzoeken om monsters te meten met PicoTR, en als ik dan kijk naar de monsters die ze sturen, hebben ze vaak een aanzienlijke oppervlakteruwheid. Dus als je besluit om PicoTR in te voeren, raad ik aan om dunne monsters met gladde oppervlakken te gebruiken."
NETZSCH: Hartelijk dank voor deze interessante inzichten, Prof. Ohta! We zijn er trots op dat we uw onderzoek kunnen ondersteunen met onze PicoTR analyzer. Bovendien kunnen we voor het meten van dikkere monsters onze Laser Flits Analyzer. 😉
Meer informatie over NETZSCH producten voor het testen van thermofysische eigenschappen
