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.
O recurso exclusivo do TDTR desenvolvido pela AIST é sua ampla faixa de tempo de observação de até 50 ns por meio de um sistema de retardo elétrico exclusivo, enquanto a maioria dos sistemas TDTR usa um sistema de retardo óptico capaz de observar fenômenos por apenas 10 ns, o que obriga o usuário a realizar um ajuste óptico muito difícil todas as vezes.
Aquecimento traseiro/aquecimento dianteiro versus aquecimento dianteiro/aquecimento dianteiroDetecção
Há dois tipos desse método: Um arranjo no qual a amostra é aquecida pelo 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), figura 1a), 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), figura 1b).
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.
Neste exemplo, um filme de diamante de 4 μm de espessura foi medido por meio do site PicoTR (figura 2) com base no princípio do TDTR.
O filme de diamante apresenta alta 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 incomparável, o que é promissor para a implementação em dispositivos de energia de alta DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade de corrente, como dissipadores de calor.
A amostra foi fabricada em um vidro sem álcali com uma espessura de 1 mm. Um filme de Mo de 100 nm de espessura foi pulverizado sobre a superfície de diamante.
O ponto principal dessa medição foi determinar se a superfície era lisa ou não. Se a superfície for áspera, o laser da sonda se dispersa e a luz refletida não pode ser detectada. Conforme mostrado na figura 3, embora a superfície do filme de diamante seja um pouco áspera, foi possível obter um bom sinal de refletância térmica S/N.
Resultados da medição
A medição foi realizada no modo FF e analisada com o software PicoTR Thermal Simulator (tabela 1). A partir da análise de três camadas, 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 da camada de diamante foi calculada como 90 W/(m-K), e a resistência térmica da interface entre as camadas de Mo e de diamante foi determinada como 6,0x10-9m2-K/W.
O tempo de difusão de calor do filme de diamante pode ser estimado em 200 ns pela equação de:
Tempo de difusão de calor = (espessura)2/(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)
que representa o tempo de resfriamento dessa camada.
Tabela 1: Resultados da análise
Amostra nome | Mo/Diamante Resistência térmica interfacial Rm-f m²-K/W | Diamante Eficiência térmica bf J/(m²-s0,5-K) | Diamante λf W/(m-K) | Diamante/vidro Resistência térmica interfacial Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Diamante | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
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 de um filme de diamante de 4 μm de espessura em um substrato de vidro foi medida por meio do site PicoTR.
Como pode ser visto na figura 4, 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 obtida é 1/10 do valor da literatura para o material em massa de diamante. Isso é esperado devido à dispersão de fônons entre os limites de grãos do diamante ou da estrutura imperfeita. Esse exemplo mostra a importância da medição de filmes finos para o projeto térmico preciso de dispositivos elétricos.
Devido à alta 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 diamante, essa amostra só pode ser medida no modo FF do PicoTR.
Ao medir filmes de diamante com o NanoTR, o revestimento de ambos os lados da camada de diamante com molibdênio possibilita o uso do método RF.
