Введение
Японский национальный институт передовой промышленной науки и технологии (AIST) разработал методику измерения "метод терморефлектанса с импульсным световым нагревом", которая является более быстрой версией метода лазерной вспышки, и таким образом преуспел в измерении теплофизических свойств тонких пленок раньше других компаний в мире.
Метод импульсного светового нагрева терморефлектанса, один из методов терморефлектанса во временной области (TDTR), представляет собой метод, в котором тонкая пленка, сформированная на подложке, мгновенно нагревается путем облучения пикосекундным или наносекундным импульсным лазером, а высокоскоростное изменение температуры вследствие тепловой диффузии после нагрева измеряется по изменению интенсивности отраженного лазерного излучения для измерения температуры.
Задний обогрев/передний обогрев в сравнении с передним обогревом/переднимDetection
Существует два типа этого метода: Метод, в котором образец нагревается со стороны прозрачной подложки (в случае инфракрасного излучения Si также является прозрачной подложкой) и измеряется повышение температуры поверхности образца (режим заднего нагрева / переднего обнаружения (RF), рис. 1b), и метод, в котором нагревается поверхность образца и измеряется повышение температуры одного и того же места на поверхности образца (режим переднего нагрева / переднего обнаружения (FF), рис. 1a).
В принципе, режим RF идентичен методу лазерной вспышки, который является стандартным методом измерения теплопроводности сыпучих материалов, и отличается превосходной количественной надежностью. В отличие от RF-режима, FF-режим позволяет измерять тонкие пленки на непрозрачных подложках и важен как практический метод измерения.
С момента открытия проводящих полимеров (легированного полиацетилена) нобелевскими лауреатами Х. Ширакавой, А. Дж. Хигером и А. Г. Макдиармидом [1], они были широко разработаны и использованы в различных продуктах, таких как антистатические пленки, твердотельные электролитические конденсаторы и органические EL*. В последнее время все больше внимания уделяется разработке органических транзисторов и органических термоэлектронных материалов, и ожидается, что поли(3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат (PEDOT: PSS) окажется перспективным материалом для этих целей.
Эффективность термоэлектрических материалов представлена безразмерным показателем достоинства, ZT. Безразмерная величина ZT выражается через ZT=S2T/(ρ-κ), где S(V/K) - коэффициент Зеебека, ρ(Ω-m) - электрическое сопротивление, κ(W/(m-K)) - теплопроводность, а T(K) - абсолютная температура.
*Органические ЭЛ: органические электролюминесцентные
В данном примере измерялась температуропроводность тонкой пленки PEDOT: PSS (70 нм) была измерена с помощью сайта NanoTR (рис. 2). Образец был сформирован на подложке из кварцевого стекла размером 0,5 мм методом спинового покрытия и помещен между слоями Al.
Анализ
Кривые температурной истории подгоняются под следующее уравнение для температурной реакции передней поверхности на нагрев задней поверхности [2], чтобы получить время распространения тепла τf.
Здесь α - амплитуда, а γ - интенсивность виртуального источника тепла. Поскольку вертикальная ось кривой истории температуры относительна, α является произвольным параметром, который определяется путем подгонки кривой.
γ определяется тепловым коэффициентом теплопроводности между тонкой пленкой и подложкой и находится в диапазоне от -1 до 1. Если тепловой коэффициент теплопроводности подложки чрезвычайно small и тонкая пленка может рассматриваться как теплоизолированная, γ=1. Когда теплоемкость пленки и подложки равны (в том числе когда пленка и подложка равны и полубесконечны), γ = 0. Когда теплоемкость подложки чрезвычайно large и граница раздела между пленкой и подложкой изотермична, γ=-1.
Для многослойных пленок анализ теплопроводности основан на кривых температурной истории с использованием времени ареальной тепловой диффузии*, рисунок 3 [3].
Согласно анализу времени диффузии тепла и с учетом межфазного термического сопротивления между слоями, для трехслойной пленки время диффузии тепла A определяется по уравнению (3).
C: объемная теплоемкость (произведение удельной теплоемкости и плотности)
d: толщина пленки, k: тепловая диффузия, R: межфазное термическое сопротивление, подстрочные индексы Z и M означают слой объекта и слой Mo с обеих сторон
Когда испытуемый слой Z помещен между слоями Mo в трехслойной пленке и измеряется в режиме RF, тепловая диффузия kZ слоя Z и межфазное термическое сопротивление RZ-M между слоем Z и слоями Mo являются неизвестными величинами.
Эти значения определяются путем измерения времени диффузии тепла τf (на основе этих значений определяются ареалы времени диффузии тепла) для нескольких пленок, для которых эти пленки качественно одинаковы, но имеют разную толщину. Затем определяют время диффузии тепла в зависимости от толщины путем подгонки уравнения.
Теплопроводность λ исследуемой тонкой пленки определяется с помощью уравнения справа.
Таблица 1: Результаты анализа
Образец название | Al/PEDOT/Al Время распространения тепла | Al/PEDOT/Al Время диффузии тепла по площади | PEDOT Тепловая диффузия | ПЕДОТ Теплопроводность |
τf s | Α s | κZ м²/с | λ Вт/(м х К) | |
| PEDOT:PSS | 3.8 x 10-7 | 6.3 x 10-8 | 6.9 x 10-8 | 0.21 |
Результаты испытаний
Кривая температурной истории показана на рисунке 4. Как показано в таблице 1, при применении трехслойного анализа теплопроводность слоя PEDOT была рассчитана как 6,9x10-8м2/с(0,21 Вт/мксК) с использованием многослойного анализа, описанного ранее.
Заключение
Теплопроводность тонкой пленки PEDOT: PSS была измерена с помощью сайта NanoTR в радиочастотном режиме.
Особенно при измерении органических тонких пленок необходимо минимизировать риск термического повреждения тонкой пленки в результате импульсного нагрева.
В случае NanoTR кривая температурной истории получается как суммирование каждого результата (обычно 10 000 раз за минуту) периодического импульсного нагрева светом. Фактическая энергия импульса составляет всего несколько нДж и не вызывает термического повреждения образца.
Для измерения тонких пленок с помощью NanoTR периодический импульсный световой нагрев имеет большое преимущество перед другими коммерчески доступными системами TDTR, которые основаны на однократном импульсном нагреве с высокой энергией импульса.