Wprowadzenie
Japoński Narodowy Instytut Zaawansowanych Nauk Przemysłowych i Technologii (AIST) opracował technikę pomiarową o nazwie "metoda termorefleksji z ogrzewaniem światłem pulsacyjnym", która jest szybszą wersją metody błysku laserowego, dzięki czemu udało się zmierzyć właściwości termofizyczne cienkich warstw przed innymi firmami na świecie.
Metoda termorefleksji z ogrzewaniem światłem impulsowym, jedna z metod termorefleksji w dziedzinie czasu (TDTR), jest techniką, w której cienka warstwa utworzona na podłożu jest natychmiastowo podgrzewana przez naświetlanie jej pikosekundowym lub nanosekundowym laserem impulsowym, a szybka zmiana temperatury spowodowana dyfuzją termiczną po podgrzaniu jest mierzona przez odbitą zmianę intensywności światła laserowego do pomiaru temperatury.
Tylne ogrzewanie/przednie ogrzewanie kontra przednie ogrzewanie/przednie wykrywanie
Istnieją dwa rodzaje tej metody: Układ, w którym próbka jest ogrzewana od strony przezroczystego podłoża (w przypadku światła podczerwonego Si jest również przezroczystym podłożem) i mierzony jest wzrost temperatury powierzchni próbki (tryb ogrzewania tylnego / wykrywania przedniego (RF), rys. 1b) oraz układ, w którym powierzchnia próbki jest ogrzewana i mierzony jest wzrost temperatury w tym samym miejscu na powierzchni próbki (tryb ogrzewania przedniego / wykrywania przedniego (FF), rys. 1a).
Zasadniczo tryb RF jest identyczny z metodą błysku laserowego, która jest standardową metodą pomiaru dyfuzyjności cieplnej materiałów sypkich i charakteryzuje się doskonałą niezawodnością ilościową. W przeciwieństwie do trybu RF, tryb FF może mierzyć cienkie warstwy na nieprzezroczystych podłożach i jest ważny jako praktyczna technika pomiarowa.
Od czasu odkrycia polimerów przewodzących (domieszkowanego poliacetylenu) przez laureatów nagrody Nobla H. Shirakawę, A.J. Heegera i A.G. MacDiarmida [1], były one szeroko rozwijane i stosowane w różnych produktach, takich jak folie antystatyczne, stałe kondensatory elektrolityczne i organiczne EL*. Niedawno skupiono się bardziej na rozwoju tranzystorów organicznych i organicznych materiałów termoelektronicznych i oczekuje się, że poli (3,4-etylenodioksytiofen) polistyrenosulfonian (PEDOT: PSS) okaże się obiecującym materiałem do tego zastosowania.
Wydajność materiałów termoelektrycznych jest reprezentowana przez bezwymiarową liczbę zalet, ZT. Bezwymiarowa wartość ZT jest wyrażona przez ZT=S2T/(ρ-κ), gdzie S(V/K) to Współczynnik SeebeckaWspółczynnik Seebecka to stosunek indukowanego napięcia termoelektrycznego do różnicy temperatur między dwoma punktami przewodnika elektrycznego.współczynnik Seebecka, ρ(Ω-m) to Rezystywność elektrycznaRezystywność elektryczna lub opór elektryczny to podstawowa właściwość materiału, która określa ilościowo, jak silnie dany materiał przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego.rezystywność elektryczna, κ(W/(m-K)) to Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna, a T(K) to temperatura bezwzględna.
*Organiczny EL: organiczny elektroluminescencyjny
W tym przykładzie zmierzono dyfuzyjność cieplną cienkiej warstwy PEDOT: PSS (70 nm) zmierzono za pomocą NanoTR rysunek 2). Próbka została uformowana na podłożu ze szkła kwarcowego o grubości 0,5 mm metodą powlekania spinowego i umieszczona pomiędzy warstwami Al.
Analiza
Krzywe historii temperatury są dopasowywane za pomocą następującego równania dla reakcji temperatury powierzchni przedniej na ogrzewanie powierzchni tylnej [2] w celu uzyskania czasu dyfuzji ciepła τf.
Tutaj α jest amplitudą, a γ jest intensywnością wirtualnego źródła ciepła. Ponieważ oś pionowa krzywej historii temperatury jest względna, α jest arbitralnym parametrem, który jest określany przez dopasowanie krzywej.
γ jest określane przez wydajność cieplną między cienką warstwą a podłożem i mieści się w zakresie od -1 do 1. Gdy wydajność cieplna podłoża jest ekstremalnie small, a cienką warstwę można postrzegać jako izolowaną termicznie, γ=1. Gdy wydajność cieplna folii i podłoża są równe (w tym, gdy folia i podłoże są równe i półnieskończone), γ = 0. Gdy wydajność cieplna podłoża jest ekstremalnie large, a interfejs między folią a podłożem jest IzotermicznyTesty w kontrolowanej i stałej temperaturze nazywane są izotermicznymi.izotermiczny, γ = 1.
W przypadku folii wielowarstwowych analiza dyfuzyjności cieplnej opiera się na krzywych historii temperatury z wykorzystaniem powierzchniowych czasów dyfuzji ciepła* rysunek 3 [3].
Zgodnie z analizą powierzchniowego czasu dyfuzji ciepła i z uwzględnieniem międzyfazowego oporu cieplnego między warstwami, dla folii trójwarstwowej, powierzchniowy czas dyfuzji ciepła A jest określony równaniem (3).
C: objętościowa pojemność cieplna (iloczyn pojemności cieplnej właściwej i gęstości)
d: grubość folii, k: dyfuzyjność cieplna, R: międzyfazowy opór cieplny, indeksy dolne Z i M odnoszą się do warstwy badanej i warstwy Mo po obu stronach
Gdy warstwa przedmiotowa Z jest umieszczona pomiędzy warstwami Mo w trójwarstwowej folii i mierzona w trybie RF, dyfuzyjność cieplna kZ warstwy Z i międzyfazowy opór cieplny RZ-M pomiędzy warstwą Z i warstwami Mo są nieznanymi wartościami.
Wartości te są określane poprzez pomiar czasów dyfuzji ciepła τf (powierzchniowe czasy dyfuzji ciepła są określane na podstawie tych wartości) dla wielu folii, dla których przedmiotowe folie są jakościowo takie same, ale mają różne grubości. Powierzchniowe czasy dyfuzji ciepła są następnie określane jako funkcja grubości poprzez dopasowanie równania.
Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna λ badanej cienkiej warstwy jest określana za pomocą równania po prawej stronie.
Tabela 1: Wyniki analizy
Próbka nazwa | Al/PEDOT/Al Czas dyfuzji ciepła | Al/PEDOT/Al Powierzchniowy czas dyfuzji ciepła | PEDOT Dyfuzyjność cieplna | 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 |
Wyniki testów
Krzywą historii temperatury pokazano na rysunku 4. Jak pokazano w tabeli 1, stosując analizę trójwarstwową, dyfuzyjność cieplna warstwy PEDOT została obliczona jako 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK) przy użyciu analizy wielowarstwowej opisanej wcześniej.
Wnioski
Przewodność cieplną cienkiej warstwy PEDOT: PSS została zmierzona przez NanoTR w trybie RF.
Szczególnie w przypadku pomiarów cienkich warstw organicznych należy zminimalizować ryzyko uszkodzenia termicznego cienkiej warstwy spowodowanego ogrzewaniem impulsowym.
W przypadku NanoTR, krzywa historii temperatury jest uzyskiwana jako suma każdego wyniku (zwykle 10 000 razy w ciągu minuty) dla okresowego impulsowego ogrzewania światłem. Rzeczywista energia impulsu wynosi zaledwie kilka nJ i nie powoduje uszkodzeń termicznych próbki.
W przypadku pomiaru cienkich warstw za pomocą NanoTR, okresowe ogrzewanie światłem impulsowym ma ogromną przewagę nad innymi dostępnymi na rynku systemami TDTR, które opierają się na ogrzewaniu pojedynczym impulsem o wysokiej energii impulsu.