Introducere
Institutul Național Japonez de Știință și Tehnologie Industrială Avansată (AIST) a dezvoltat o tehnică de măsurare numită "metoda termoreflectanței prin încălzirea cu lumină pulsată", care este o versiune mai rapidă a metodei laser flash, reușind astfel să măsoare proprietățile termofizice ale filmelor subțiri înaintea altor companii din lume.
Metoda termoreflectanței prin încălzire cu lumină pulsată, una dintre metodele termoreflectanței în domeniul timpului (TDTR), este o tehnică în care un film subțire format pe un substrat este încălzit instantaneu prin iradierea acestuia cu un laser pulsat de picosecunde sau nanosecunde, iar schimbarea de temperatură la viteză mare datorată difuziei termice după încălzire este măsurată prin schimbarea intensității reflectate a luminii laser pentru măsurarea temperaturii.
Încălzire spate/ încălzire față Versus încălzire față/ detectare față
Există două tipuri de această metodă: Un aranjament în care proba este încălzită din partea substratului transparent (în cazul luminii infraroșii, Si este, de asemenea, un substrat transparent) și se măsoară creșterea temperaturii suprafeței probei (modul de încălzire din spate / detectare frontală (RF), fig. 1b) și un aranjament în care suprafața probei este încălzită și se măsoară creșterea temperaturii în același loc pe suprafața probei (modul de încălzire frontală / detectare frontală (FF), fig. 1a).
În principiu, modul RF este identic cu metoda laser flash, care este metoda standard de măsurare a difuzivității termice pentru materialele în vrac, și prezintă o fiabilitate cantitativă excelentă. Spre deosebire de modul RF, modul FF poate măsura filme subțiri pe substraturi opace și este important ca tehnică practică de măsurare.
De la descoperirea polimerilor conductori (poliacetilenă dopată) de către laureații premiului Nobel H. Shirakawa, A. J. Heeger și A.G. MacDiarmid [1], aceștia au fost dezvoltați pe scară largă și utilizați în diverse produse, precum filme antistatice, condensatoare electrolitice solide și EL* organice. Mai recent, accentul a fost pus mai mult pe dezvoltarea tranzistoarelor organice și a materialelor termoelectronice organice și se preconizează că polistirenul sulfonat de (3,4-etilendioxi-tiofen) (PEDOT: PSS) se va dovedi a fi un material promițător pentru această aplicație.
Eficiența materialelor termoelectrice este reprezentată de cifra de merit adimensională, ZT. Cifra de merit adimensională, ZT, este exprimată prin ZT=S2T/(ρ-κ), unde S(V/K) este Coeficientul SeebeckCoeficientul Seebeck este raportul dintre tensiunea termoelectrică indusă și diferența de temperatură dintre două puncte ale unui conductor electric.coeficientul Seebeck, ρ(Ω-m) este rezistivitatea electrică, κ(W/(m-K)) este conductivitatea termică, iar T(K) este temperatura absolută.
*EL organic: electroluminescent organic
În acest exemplu, difuzivitatea termică a unui strat subțire de PEDOT: PSS (70 nm) a fost măsurată cu ajutorul NanoTR figura 2). Eșantionul a fost format pe un substrat de sticlă de cuarț de 0,5 mm prin acoperire prin centrifugare și intercalat între straturi de Al.
Analiză
Curbele istoriei temperaturii sunt ajustate cu următoarea ecuație pentru răspunsul temperaturii suprafeței frontale la încălzirea suprafeței posterioare [2] pentru a obține timpul de difuzie a căldurii τf.
Aici α este amplitudinea, iar γ este intensitatea unei surse virtuale de căldură. Deoarece axa verticală a curbei istoriei temperaturii este relativă, α este un parametru arbitrar care este determinat prin ajustarea curbei.
γ este determinat de efusivitatea termică dintre filmul subțire și substrat și variază între -1 și 1. Atunci când efusivitatea termică a substratului este extrem de small și filmul subțire poate fi considerat izolat termic, γ=1. Atunci când efusivitatea termică a filmului și a substratului sunt egale (inclusiv atunci când filmul și substratul sunt egale și semi-infinite), γ = 0. Atunci când efusivitatea termică a substratului este extrem de large și interfața dintre film și substrat este izotermă, γ = 1.
Pentru filmele multistrat, analiza difuzivității termice se bazează pe curbele de evoluție a temperaturii utilizând timpii areali de difuzie a căldurii* figura 3 [3].
Conform analizei timpului areal de difuzie a căldurii și incluzând rezistența termică interfacială dintre straturi, pentru un film cu trei straturi, timpul areal de difuzie a căldurii A este dat de ecuația (3).
C: capacitatea termică volumetrică (produsul dintre capacitatea termică specifică și DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate)
d: grosimea filmului, k: difuzivitatea termică, R: rezistența termică interfacială, subînsemnele Z și M se referă la stratul subiect și la stratul de Mo de pe ambele părți
Atunci când un strat subiect Z este intercalat între straturi de Mo într-un film cu trei straturi și măsurat folosind modul RF, difuzivitatea termică kZ a stratului Z și rezistența termică interfacială RZ-M între stratul Z și straturile de Mo sunt ambele valori necunoscute.
Aceste valori sunt determinate prin măsurarea timpilor de difuzie a căldurii τf (timpii areali de difuzie a căldurii fiind determinați pe baza acestor valori) pentru mai multe filme pentru care filmele în cauză sunt calitativ identice, dar au grosimi diferite. Timpii areali de difuzie a căldurii sunt apoi determinați în funcție de grosime prin ajustarea ecuației.
Conductivitatea termică λ a filmului subțire în cauză se determină cu ajutorul ecuației din dreapta.
Tabelul 1: Rezultatele analizei
Eșantion denumire | Al/PEDOT/Al Timp de difuzie a căldurii | Al/PEDOT/Al Timp areal de difuzie a căldurii | PEDOT Difuzivitate termică | PEDOT Conductivitate termică |
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 |
Rezultatele testelor
Curba istorică a temperaturii este prezentată în figura 4. După cum se arată în tabelul 1, prin aplicarea analizei cu trei straturi, difuzivitatea termică a stratului PEDOT a fost calculată ca fiind de 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK) utilizând analiza multistrat descrisă anterior.
Concluzie
Conductivitatea termică a stratului subțire de PEDOT: PSS a fost măsurată prin NanoTR în modul RF.
În special pentru măsurarea filmelor subțiri organice, trebuie redus la minimum riscul de deteriorare termică a filmului subțire cauzată de încălzirea prin impulsuri.
În cazul NanoTR, curba istorică a temperaturii este obținută ca sumă a fiecărui rezultat (de obicei de 10 000 de ori într-un minut) pentru încălzirea periodică cu lumină pulsată. Energia reală a impulsurilor este de numai câteva nJ și nu provoacă nicio deteriorare termică a probei.
Pentru măsurarea straturilor subțiri prin NanoTR, încălzirea periodică cu lumină pulsată are un mare avantaj față de alte sisteme TDTR disponibile în comerț, care se bazează pe încălzirea cu un singur impuls cu energie mare a impulsului.