Inledning
Japanska National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) har utvecklat en mätteknik kallad "pulsed light heating thermoreflectance method", som är en snabbare version av laser flash-metoden, och har därmed lyckats mäta de termofysiska egenskaperna hos tunna filmer före andra företag i världen.
Termoreflektansmetoden med pulsad ljusuppvärmning, en av TDTR-metoderna (Time Domain Thermoreflectance), är en teknik där en tunn film som bildas på ett substrat omedelbart värms upp genom att den bestrålas med en pikosekund- eller nanosekundpulsad laser, och den snabba temperaturförändringen på grund av termisk diffusion efter uppvärmning mäts genom den reflekterade intensitetsförändringen av laserljus för temperaturmätning.
Bakre värme/frontvärme jämfört med främre värme/frontvärmeDetection
Det finns två typer av denna metod: Ett arrangemang där provet värms upp från den transparenta substratsidan (när det gäller infrarött ljus är Si också ett transparent substrat) och temperaturökningen på provytan mäts (bakre uppvärmning / främre detektering (RF), fig. 1b), och ett arrangemang där provytan värms upp och temperaturökningen på samma plats på provytan mäts (främre uppvärmning / främre detektering (FF), fig. 1a).
RF-läget är i princip identiskt med laserflashmetoden, som är standardmetoden för mätning av värmediffusivitet för bulkmaterial, och har utmärkt kvantitativ tillförlitlighet. I motsats till RF-läget kan FF-läget mäta tunna filmer på ogenomskinliga substrat och är viktigt som en praktisk mätteknik.
Sedan upptäckten av ledande polymerer (dopad polyacetylen) av nobelpristagarna H. Shirakawa, A. J. Heeger och A.G. MacDiarmid [1] har de utvecklats i stor omfattning och använts i olika produkter, t.ex. antistatiska filmer, fasta elektrolytkondensatorer och organiska EL*. På senare tid har fokus legat mer på utvecklingen av organiska transistorer och organiska termoelektroniska material, och det förväntas att poly(3,4-etylendioxytiofen)polystyrensulfonat (PEDOT:PSS) kommer att visa sig vara ett lovande material för denna tillämpning.
Effektiviteten hos termoelektriska material representeras av det dimensionslösa förtjänsttalet, ZT. Det dimensionslösa förtjänsttalet, ZT, uttrycks med ZT=S2T/(ρ-κ), där S(V/K) är Seebeck-koefficienten, ρ(Ω-m) är den elektriska resistiviteten, κ(W/(m-K)) är värmeledningsförmågan och T(K) är den absoluta temperaturen.
*Organisk EL: organisk elektroluminescerande
I detta exempel uppmättes den termiska diffusiviteten hos en tunn film av PEDOT: PSS-tunnfilm (70 nm) mättes med hjälp av NanoTR figur 2). Provet formades på ett kvartsglassubstrat på 0,5 mm genom spinnbeläggning och placerades mellan Al-skikt.
Analys
Temperaturhistorikkurvorna anpassas till följande ekvation för den främre ytans temperaturrespons på bakre ytans uppvärmning [2] för att erhålla värmediffusionstiden τf.
Här är α amplituden och γ intensiteten hos en virtuell värmekälla. Eftersom temperaturhistorikkurvans vertikala axel är relativ är α en godtycklig parameter som bestäms genom kurvanpassning.
γ bestäms av den termiska effusiviteten mellan den tunna filmen och substratet och varierar mellan -1 och 1. När substratets termiska effusivitet är extremt small och den tunna filmen kan betraktas som termiskt isolerad, är γ=1. När den termiska effusiviteten hos filmen och substratet är lika (inklusive när filmen och substratet är lika och semi-infinita), γ = 0. När den termiska effusiviteten hos substratet är extremt large och gränssnittet mellan filmen och substratet är isotermt, γ=-1.
För flerskiktsfilmer baseras analysen av värmediffusivitet på temperaturhistorikkurvor med hjälp av areella värmediffusionstider* figur 3 [3].
Enligt analysen av den areella värmediffusionstiden och inklusive gränsytans termiska motstånd mellan skikten, ges den areella värmediffusionstiden A för en film med tre skikt av ekvation (3).
C: volymetrisk värmekapacitet (produkt av Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.specifik värmekapacitet och TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet)
d: filmtjocklek, k: värmediffusivitet, R: gränsytans värmemotstånd, indexen Z och M avser ämnesskiktet och Mo-skiktet på båda sidor
När ett objektskikt Z är inklämt mellan Mo-skikt i en treskiktsfilm och mäts med RF-läget, är värmediffusiviteten kZ för skikt Z och gränsytans värmemotstånd RZ-M mellan skikt Z och Mo-skikten båda okända värden.
Dessa värden bestäms genom att mäta värmediffusionstiderna τf (de areella värmediffusionstiderna bestäms utifrån dessa värden) för flera filmer där de aktuella filmerna är kvalitativt desamma men har olika tjocklek. De areella värmediffusionstiderna bestäms sedan som en funktion av tjockleken genom att anpassa ekvationen.
Värmekonduktiviteten λ för den aktuella tunnfilmen bestäms med hjälp av ekvationen till höger.
Tabell 1: Analysresultat
Prov namn | Al/PEDOT/Al Värmediffusionstid | Al/PEDOT/Al Areal värmediffusionstid | 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 |
Testresultat
Temperaturhistorikens kurva visas i figur 4. Som framgår av tabell 1 beräknades PEDOT-skiktets värmediffusivitet till 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK) genom att tillämpa en trelagersanalys med hjälp av den flerskiktsanalys som beskrivits tidigare.
Slutsats
Värmeledningsförmågan hos PEDOT: PSS-tunnfilm mättes med NanoTR i RF-läge.
Speciellt vid mätning av organiska tunnfilmer måste risken för termisk skada på tunnfilmen orsakad av pulsuppvärmning minimeras.
I fallet med NanoTR erhålls temperaturhistorikkurvan som en summering av varje resultat (typiskt 10.000 gånger på en minut) för den periodiska pulsade ljusuppvärmningen. Den faktiska pulsenergin är bara några nJ och orsakar ingen termisk skada på provet.
För tunnfilmsmätning med NanoTR har periodisk pulsad ljusuppvärmning en stor fördel jämfört med andra kommersiellt tillgängliga TDTR-system, som baseras på enpulsuppvärmning med hög pulsenergi.