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 de termoreflectanță prin încălzire cu lumină pulsată, una dintre metodele de termoreflectanță în domeniul timpului (TDTR), este o tehnică în care o peliculă subțire formată pe un substrat este încălzită instantaneu prin iradierea acesteia cu un laser pulsat de picosecunde sau nanosecunde, iar schimbarea de temperatură de mare viteză datorată difuziei termice după încălzire este măsurată prin schimbarea intensității reflectate a luminii laser pentru măsurarea temperaturii.
Caracteristica unică a TDTR dezvoltat de AIST este intervalul său larg de timp de observație de până la 50 ns prin intermediul unui sistem unic de întârziere electrică, în timp ce majoritatea sistemelor TDTR utilizează un sistem de întârziere optică capabil să observe fenomene de numai până la 10 ns; acest lucru obligă utilizatorul să efectueze de fiecare dată o ajustare optică foarte dificilă.
Încălzire spate/în față Versus încălzire față/în fațăDe detecție
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), figura 1a) și un aranjament în care suprafața probei este încălzită și se măsoară creșterea temperaturii din același loc pe suprafața probei (modul de încălzire frontală / detectare frontală (FF), figura 1b).
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.
În acest exemplu, o peliculă de diamant cu grosimea de 4 μm a fost măsurată cu ajutorul PicoTR (figura 2) pe baza principiului TDTR.
Pelicula de diamant prezintă o conductivitate termică ridicată de neegalat, care este promițătoare pentru implementarea în dispozitive de putere cu DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate mare de curent, cum ar fi dispersoarele de căldură.
Eșantionul a fost fabricat pe o sticlă fără alcali cu o grosime de 1 mm. O peliculă de Mo cu grosimea de 100 nm a fost pulverizată pe suprafața de diamant.
Punctul cheie al acestei măsurători a fost de a determina dacă suprafața era netedă sau nu. Dacă suprafața este rugoasă, laserul sondei se împrăștie, iar lumina reflectată nu poate fi detectată. După cum se arată în figura 3, deși suprafața filmului de diamant este puțin rugoasă, a fost posibil să se obțină un semnal de reflectanță termică S/N bun.
Rezultatele măsurătorilor
Măsurarea a fost efectuată în modul FF și analizată cu ajutorul software-ului PicoTR Thermal Simulator (tabelul 1). Din analiza celor trei straturi, conductivitatea termică a stratului de diamant a fost calculată la 90 W/(m-K), iar rezistența termică a interfeței dintre straturile de Mo și diamant a fost determinată la 6,0x10-9m2-K/W.
Timpul de difuzie a căldurii din filmul de diamant poate fi estimat la 200 ns prin ecuația
Timpul de difuzie a căldurii = (grosime)2/(difuzivitate termică)
care reprezintă timpul de răcire al acestui strat.
Tabelul 1: Rezultatele analizei
Eșantion denumire | Mo/Diamond Rezistența termică interfacială Rm-f m²-K/W | Diamant Efusivitatea termică bf J/(m²-s0,5-K) | Diamant Conductivitate termică λf W/(m-K) | Diamant/Glas Rezistența termică interfacială Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Diamant | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
Concluzie
Conductivitatea termică a unei pelicule de diamant cu grosimea de 4 μm pe un substrat de sticlă a fost măsurată cu ajutorul PicoTR.
După cum se poate observa în figura 4, conductivitatea termică obținută este 1/10 din valoarea din literatura de specialitate pentru diamantul în vrac. Acest lucru este de așteptat din cauza împrăștierii fononilor între granițele granulelor de diamant sau a structurii imperfecte. Acest exemplu arată importanța măsurării straturilor subțiri pentru proiectarea termică precisă a dispozitivelor electrice.
Din cauza conductivității termice ridicate a diamantului, această probă poate fi măsurată numai în modul FF al PicoTR.
La măsurarea straturilor de diamant cu NanoTR, acoperirea ambelor părți ale stratului de diamant cu molibden face posibilă utilizarea metodei RF.
