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 uppvärmningen mäts genom den reflekterade intensitetsförändringen av laserljuset för temperaturmätning.
Den unika egenskapen hos TDTR som utvecklats av AIST är dess breda observationstidsintervall på upp till 50 ns via ett unikt elektriskt fördröjningssystem, medan de flesta TDTR-system använder ett optiskt fördröjningssystem som endast kan observera fenomen i upp till 10 ns; detta tvingar användaren att utföra en mycket svår optisk justering varje gång.
Bakre uppvärmning/Främre uppvärmning jämfört med främre uppvärmning/FrämreUpptäckt
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), figur 1a), och ett arrangemang där provytan värms upp och temperaturökningen på samma plats på provytan mäts (främre uppvärmning / främre detektering (FF), figur 1b).
RF-läget är i princip identiskt med laserflashmetoden, som är standardmetoden för mätning av Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheten mm2/s) är en materialspecifik egenskap för att karakterisera instationär värmeledning. Detta värde beskriver hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring.termisk diffusivitet för bulkmaterial, och har utmärkt kvantitativ tillförlitlighet. Till skillnad från RF-läget kan FF-läget mäta tunna filmer på ogenomskinliga substrat och är viktigt som en praktisk mätteknik.
I det här exemplet mättes en diamantfilm med en tjocklek på 4 μm med hjälp av PicoTR (bild 2) enligt TDTR-principen.
Diamantfilmen har en oöverträffad hög Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga, vilket är lovande för implementering i kraftanordningar med hög strömtäthet, t.ex. värmespridare.
Provet tillverkades på ett alkalifritt glas med en tjocklek på 1 mm. En 100 nm tjock Mo-film sputtrades på diamantytan.
Den viktigaste punkten i denna mätning var att avgöra om ytan var slät eller inte. Om ytan är skrovlig sprids probelasern och det reflekterade ljuset kan inte detekteras. Som framgår av figur 3 var det möjligt att uppnå en bra S/N-signal för termisk reflektans, trots att diamantfilmens yta är lite skrovlig.
Resultat av mätning
Mätningen utfördes i FF-läge och analyserades med programvaran PicoTR Thermal Simulator (tabell 1). Från trelagersanalysen beräknades diamantskiktets Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga till 90 W/(m-K), och gränssnittets värmemotstånd mellan Mo- och diamantskikten bestämdes till 6,0x10-9m2-K/W.
Värmediffusionstiden för diamantfilmen kan uppskattas till 200 ns med hjälp av ekvationen
Värmediffusionstid = (tjocklek)2/(Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheten mm2/s) är en materialspecifik egenskap för att karakterisera instationär värmeledning. Detta värde beskriver hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring.termisk diffusivitet)
vilket motsvarar kylningstiden för detta skikt.
Tabell 1: Analysresultat
Prov benämning | Mo/Diamond Termiskt motstånd mellan ytorna Rm-f m²-K/W | Diamant Termisk effusivitet bf J/(m²-s0,5-K) | Diamant Termisk ledningsförmåga λf W/(m-K) | Diamant/Glas Termiskt motstånd mellan gränsytor Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Diamant | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
Slutsats
Värmekonduktiviteten hos en diamantfilm med en tjocklek på 4 μm på ett glassubstrat mättes med hjälp av PicoTR.
Som framgår av figur 4 är den erhållna värmeledningsförmågan 1/10 av litteraturvärdet för diamant som bulkmaterial. Detta kan förväntas på grund av fononspridningen mellan diamantens korngränser eller ofullkomliga struktur. Detta exempel visar vikten av tunnfilmsmätning för korrekt termisk design av elektriska apparater.
På grund av diamantens höga Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga kan detta prov endast mätas i FF-läget på PicoTR.
Vid mätning av diamantfilmer med NanoTR kan man använda RF-metoden genom att belägga båda sidorna av diamantskiktet med molybden.
