Giriş
Japon Ulusal İleri Endüstriyel Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (AIST), lazer flaş yönteminin daha hızlı bir versiyonu olan "darbeli ışık ısıtma TermoreflektansTermoreflektans, nanometre aralığında kalınlıklara sahip ince filmlerin termal difüzivitesini ve termal iletkenliğini belirlemek için kullanılan bir yöntemdir.termoreflektans yöntemi" adı verilen bir ölçüm tekniği geliştirdi ve böylece ince filmlerin termofiziksel özelliklerini dünyadaki diğer şirketlerden önce ölçmeyi başardı.
Time Domain Thermoreflectance (TDTR) yöntemlerinden biri olan darbeli ışık ısıtma TermoreflektansTermoreflektans, nanometre aralığında kalınlıklara sahip ince filmlerin termal difüzivitesini ve termal iletkenliğini belirlemek için kullanılan bir yöntemdir.termoreflektans yöntemi, bir alt tabaka üzerinde oluşturulan ince bir filmin pikosaniye veya nanosaniye darbeli lazer ile ışınlanarak anlık olarak ısıtıldığı ve ısıtma sonrası termal difüzyona bağlı yüksek hızlı sıcaklık değişiminin, sıcaklık ölçümü için lazer ışığının yansıyan YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk değişimi ile ölçüldüğü bir tekniktir.
Arka Isıtma/Ön Isıtma Versus Ön Isıtma/ÖnAlgılama
Bu yöntemin iki türü vardır: Numunenin şeffaf alt tabaka tarafından ısıtıldığı (kızılötesi ışık durumunda Si de şeffaf bir alt tabakadır) ve numune yüzeyinin sıcaklık artışının ölçüldüğü bir düzenleme (Arkadan ısıtma / Önden algılama (RF) modu, şek. 1b) ve numune yüzeyinin ısıtıldığı ve numune yüzeyindeki aynı konumun sıcaklık artışının ölçüldüğü bir düzenleme (Önden ısıtma / Önden algılama (FF) modu, şek. 1a).
Prensip olarak RF modu, dökme malzemeler için standart Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite ölçüm yöntemi olan lazer flaş yöntemiyle aynıdır ve mükemmel kantitatif güvenilirliğe sahiptir. RF modunun aksine, FF modu opak alt tabakalar üzerindeki ince filmleri ölçebilir ve pratik bir ölçüm tekniği olarak önemlidir.
İletken polimerler (katkılı poliasetilen) Nobel ödüllü H. Shirakawa, A. J. Heeger ve A.G. MacDiarmid [1] tarafından keşfedildiğinden beri kapsamlı bir şekilde geliştirilmiş ve antistatik filmler, katı elektrolitik kapasitörler ve organik EL* gibi çeşitli ürünlerde kullanılmıştır. Son zamanlarda, organik transistörlerin ve organik termoelektronik malzemelerin geliştirilmesine daha fazla odaklanılmıştır ve poli (3,4-etilendioksitiyofen) polistiren sülfonatın (PEDOT: PSS) bu uygulama için umut verici bir malzeme olması beklenmektedir.
Termoelektrik malzemelerin verimliliği boyutsuz liyakat değeri ZT ile temsil edilir. Boyutsuz değer, ZT, ZT=S2T/(ρ-κ) ile ifade edilir; burada S(V/K) Seebeck katsayısı, ρ(Ω-m) elektriksel direnç, κ(W/(m-K)) Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik ve T(K) mutlak sıcaklıktır.
*Organik EL: organik elektrolüminesan
Bu örnekte, bir PEDOT: PSS ince filminin (70 nm) termal yayılımı NanoTR Şekil 2) aracılığıyla ölçülmüştür. Örnek, spin kaplama ile 0,5 mm'lik bir kuvars cam alt tabaka üzerinde oluşturuldu ve Al tabakaları arasına sıkıştırıldı.
Analiz
Sıcaklık geçmişi eğrileri, ısı difüzyon süresini τf elde etmek için arka yüzey ısıtmasına [2] ön yüzey sıcaklık tepkisi için aşağıdaki denkleme uydurulur.
Burada α genlik, γ ise sanal bir ısı kaynağının yoğunluğudur. Sıcaklık geçmişi eğrisinin dikey ekseni göreceli olduğundan, α eğri uydurma ile belirlenen keyfi bir parametredir.
γ, ince film ile alt tabaka arasındaki termal etkinlik tarafından belirlenir ve -1 ile 1 arasında değişir. Alt tabakanın termal etkinliği son derece small olduğunda ve ince film termal olarak yalıtılmış olarak görülebildiğinde, γ=1'dir. Film ve alt tabakanın termal etkinliği eşit olduğunda (film ve alt tabaka eşit ve yarı sonsuz olduğunda), γ = 0. Alt tabakanın termal etkinliği aşırı derecede large olduğunda ve film ile alt tabaka arasındaki arayüz İzotermalKontrollü ve sabit sıcaklıkta yapılan testlere izotermal denir.izotermal olduğunda, γ=-1.
Çok katmanlı filmler için Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite analizi, alansal ısı difüzyon süreleri* Şekil 3 kullanılarak sıcaklık geçmişi eğrilerine dayanmaktadır [3].
Alansal ısı difüzyon süresi analizine göre ve katmanlar arasındaki arayüzey termal direnci de dahil olmak üzere, üç katmanlı bir film için, alansal ısı difüzyon süresi A denklem (3) ile verilir.
C: hacimsel ısı kapasitesi (özgül ısı kapasitesi ve yoğunluğun çarpımı)
d: film kalınlığı, k: Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite, R: arayüzey termal direnci, Z ve M alt simgeleri her iki taraftaki konu katmanını ve Mo katmanını ifade eder
Söz konusu Z katmanı üç katmanlı bir filmde Mo katmanları arasına sıkıştırıldığında ve RF modu kullanılarak ölçüldüğünde, Z katmanının termal difüzivitesi kZ ve Z katmanı ile Mo katmanları arasındaki ara yüzey termal direnci RZ-M'nin her ikisi de bilinmeyen değerlerdir.
Bu değerler, söz konusu filmlerin niteliksel olarak aynı olduğu ancak farklı kalınlıklara sahip olduğu birden fazla film için ısı difüzyon süreleri τf ölçülerek belirlenir (bu değerlerden alansal ısı difüzyon süreleri belirlenir). Alansal ısı difüzyon süreleri daha sonra denkleme uydurularak kalınlığın bir fonksiyonu olarak belirlenir.
Söz konusu ince filmin termal iletkenliği λ, sağdaki denklem kullanılarak belirlenir.
Tablo 1: Analiz Sonuçları
Örnek isim | Al/PEDOT/Al Isı difüzyon süresi | Al/PEDOT/Al Alansal ısı difüzyon süresi | PEDOT Termal difüzivite | 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 |
Test Sonuçları
Sıcaklık geçmişi eğrisi Şekil 4'te gösterilmektedir. Tablo 1'de gösterildiği gibi, üç katmanlı analiz uygulanarak, PEDOT katmanının termal difüzivitesi daha önce açıklanan çok katmanlı analiz kullanılarak 6,9x10-8m2/s(0,21 W/mxK) olarak hesaplanmıştır.
Sonuç
PEDOT: PSS ince filmi RF modunda NanoTR ile ölçülmüştür.
Özellikle organik ince filmlerin ölçümü için, darbeli ısıtmanın ince filmde neden olduğu termal hasar riski en aza indirilmelidir.
NanoTR durumunda, sıcaklık geçmişi eğrisi, periyodik darbeli ışık ısıtması için her sonucun (tipik olarak bir dakikada 10.000 kez) toplamı olarak elde edilir. Gerçek darbe enerjisi yalnızca birkaç nJ'dir ve numunede termal hasara neden olmaz.
NanoTR ile ince film ölçümü için periyodik darbeli ışık ısıtması, yüksek darbe enerjili tek darbeli ısıtmaya dayanan piyasada bulunan diğer TDTR sistemlerine göre büyük bir avantaja sahiptir.