Introdução
O Instituto Nacional Japonês de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST) desenvolveu uma técnica de medição chamada "método de TermorrefletânciaA termorrefletância é um método para determinar a difusividade térmica e a condutividade térmica de filmes finos com espessuras na faixa de nanômetros.termorrefletância de aquecimento por luz pulsada", que é uma versão mais rápida do método de flash a laser e, portanto, conseguiu medir as propriedades termofísicas de filmes finos antes de outras empresas do mundo.
O método de TermorrefletânciaA termorrefletância é um método para determinar a difusividade térmica e a condutividade térmica de filmes finos com espessuras na faixa de nanômetros.termorrefletância por aquecimento por luz pulsada, um dos métodos de TermorrefletânciaA termorrefletância é um método para determinar a difusividade térmica e a condutividade térmica de filmes finos com espessuras na faixa de nanômetros.termorrefletância no Domínio do tempoUma análise de domínio do tempo baseia-se em alterações nos sinais físicos relacionadas ao tempo. Um gráfico no domínio do tempo mostra como um sinal muda ao longo do tempo. No caso da termorrefletância ou do método de flash a laser, o sinal do detector (alteração de tensão) é registrado - no mínimo - durante o intervalo de tempo entre a entrada de energia e o máximo do sinal (por exemplo, modo RF) ou como uma função do tempo de difusão de calor esperado (por exemplo, modo FF).domínio do tempo (TDTR), é uma técnica na qual um filme fino formado em um substrato é instantaneamente aquecido por irradiação com um laser pulsado de picossegundos ou nanossegundos, e a mudança de temperatura em alta velocidade devido à difusão térmica após o aquecimento é medida pela mudança de intensidade refletida da luz do laser para medição de temperatura.
Aquecimento traseiro/aquecimento dianteiro versus aquecimento dianteiro/detecção de
Há dois tipos desse método: Um arranjo no qual a amostra é aquecida do lado do substrato transparente (no caso da luz infravermelha, o Si também é um substrato transparente) e o aumento da temperatura da superfície da amostra é medido (modo de aquecimento traseiro/detecção frontal (RF), fig. 1b), e um arranjo no qual a superfície da amostra é aquecida e o aumento da temperatura do mesmo local na superfície da amostra é medido (modo de aquecimento frontal/detecção frontal (FF), fig. 1a).
Em princípio, o modo RF é idêntico ao método de flash a laser, que é o método padrão de medição de Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica para materiais em massa, e apresenta excelente confiabilidade quantitativa. Ao contrário do modo RF, o modo FF pode medir filmes finos em substratos opacos e é importante como uma técnica de medição prática.
Desde a descoberta dos polímeros condutores (poliacetileno dopado) pelos ganhadores do prêmio Nobel H. Shirakawa, A. J. Heeger e A.G. MacDiarmid [1], eles têm sido amplamente desenvolvidos e usados em vários produtos, como filmes antiestáticos, capacitores eletrolíticos sólidos e EL* orgânico. Mais recentemente, o foco tem sido mais no desenvolvimento de transistores orgânicos e materiais termoeletrônicos orgânicos, e espera-se que o poliestireno sulfonato de poli (3,4- etilenodioxitiofeno) (PEDOT: PSS) venha a ser um material promissor para essa aplicação.
A eficiência dos materiais termoelétricos é representada pela figura de mérito sem dimensão, ZT. A figura de mérito sem dimensão, ZT, é expressa por ZT=S2T/(ρ-κ), em que S(V/K) é o coeficiente de Seebeck, ρ(Ω-m) é a Resistividade elétricaA resistividade elétrica ou resistência elétrica é uma propriedade fundamental do material que quantifica a intensidade com que um determinado material se opõe ao fluxo de corrente elétrica.resistividade elétrica, κ(W/(m-K)) é a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica e T(K) é a temperatura absoluta.
*EL orgânico: eletroluminescência orgânica
Nesse exemplo, a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica de um filme fino de PEDOT: PSS (70 nm) foi medida por meio do site NanoTR (figura 2). A amostra foi formada em um substrato de vidro de quartzo de 0,5 mm por spin coating e ensanduichada entre camadas de Al.
Análise
As curvas do histórico de temperatura são ajustadas com a seguinte equação para a resposta da temperatura da superfície frontal ao aquecimento da superfície traseira [2] para obter o tempo de difusão de calor τf.
Aqui, α é a amplitude e γ é a intensidade de uma fonte de calor virtual. Como o eixo vertical da curva do histórico de temperatura é relativo, α é um parâmetro arbitrário que é determinado pelo ajuste da curva.
γ é determinado pela efusividade térmica entre o filme fino e o substrato, e varia entre -1 e 1. Quando a efusividade térmica do substrato é extremamente small e o filme fino pode ser visto como termicamente isolado, γ=1. Quando a efusividade térmica do filme e do substrato é igual (inclusive quando o filme e o substrato são iguais e semi-infinitos), γ = 0. Quando a efusividade térmica do substrato é extremamente large e a interface entre o filme e o substrato é isotérmica, γ=-1.
Para filmes multicamadas, a análise da Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica baseia-se em curvas de histórico de temperatura usando tempos de difusão de calor por área* figura 3 [3].
De acordo com a análise do tempo de difusão de calor por área e incluindo a resistência térmica interfacial entre as camadas, para um filme de três camadas, o tempo de difusão de calor por área A é dado pela equação (3).
C: capacidade térmica volumétrica (produto da capacidade térmica específica e da DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade)
d: espessura do filme, k: Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica, R: resistência térmica interfacial, os subscritos Z e M referem-se à camada em questão e à camada de Mo em ambos os lados
Quando uma camada Z é colocada entre camadas de Mo em um filme de três camadas e medida usando o modo RF, a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica kZ da camada Z e a resistência térmica interfacial RZ-M entre a camada Z e as camadas de Mo são valores desconhecidos.
Esses valores são determinados por meio da medição dos tempos de difusão de calor τf (os tempos de difusão de calor em área são determinados a partir desses valores) para vários filmes nos quais os filmes em questão são qualitativamente iguais, mas têm espessuras diferentes. Os tempos de difusão de calor em área são então determinados como uma função da espessura, ajustando a equação.
A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica λ do filme fino em questão é determinada usando a equação à direita.
Tabela 1: Resultados da análise
Amostra nome | Al/PEDOT/Al Tempo de difusão de calor | Al/PEDOT/Al Tempo total de difusão de calor | 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 |
Resultados do teste
A curva do histórico de temperatura é mostrada na figura 4. Conforme mostrado na tabela 1, ao aplicar a análise de três camadas, a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica da camada de PEDOT foi calculada como 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK) usando a análise de várias camadas descrita anteriormente.
Conclusão
A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica do filme fino de PEDOT: PSS foi medida pelo site NanoTR no modo RF.
Especialmente para a medição de filmes finos orgânicos, o risco de dano térmico ao filme fino causado pelo aquecimento por pulso deve ser minimizado.
No caso do NanoTR, a curva do histórico de temperatura é obtida como a soma de cada resultado (normalmente 10.000 vezes em um minuto) para o aquecimento periódico por luz pulsada. A energia de pulso real é de apenas alguns nJ e não causa danos térmicos à amostra.
Para a medição de filmes finos pelo site NanoTR, o aquecimento periódico por luz pulsada tem uma grande vantagem sobre outros sistemas TDTR disponíveis no mercado, que se baseiam no aquecimento de pulso único com alta energia de pulso.