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.
AIST tarafından geliştirilen TDTR'nin benzersiz özelliği, benzersiz bir elektriksel gecikme sistemi aracılığıyla 50 ns'ye kadar geniş bir gözlem süresi aralığına sahip olmasıdır; oysa çoğu TDTR sistemi, olayları yalnızca 10 ns'ye kadar gözlemleyebilen bir optik gecikme sistemi kullanır; bu da kullanıcının her seferinde çok zor bir optik ayarlama yapmasını zorunlu kılar.
Arka Isıtma/Ön Isıtma ile 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, şekil 1a) ve numune yüzeyinin ısıtıldığı ve numune yüzeyindeki aynı konumun sıcaklık artışının ölçüldüğü bir düzenleme (Önden ısıtma / Önden algılama (FF) modu, şekil 1b).
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.
Bu örnekte, 4 μm kalınlığında bir elmas film TDTR prensibine dayalı olarak PicoTR (şekil 2) aracılığıyla ölçülmüştür.
Elmas film, ısı yayıcılar gibi yüksek akım yoğunluklu güç cihazlarında uygulama için umut verici olan benzersiz yüksek termal iletkenliğe sahiptir.
Numune, 1 mm kalınlığında alkali içermeyen bir cam üzerinde üretilmiştir. Elmas yüzey üzerine 100 nm kalınlığında Mo film püskürtülmüştür.
Bu ölçümün kilit noktası, yüzeyin pürüzsüz olup olmadığını belirlemekti. Yüzey pürüzlüyse prob lazeri saçılır ve yansıyan ışık algılanamaz. Şekil 3'te gösterildiği gibi, elmas filmin yüzeyi biraz pürüzlü olmasına rağmen, iyi bir S/N termal yansıma sinyali elde etmek mümkün olmuştur.
Ölçüm Sonuçları
Ölçüm FF modunda gerçekleştirilmiş ve PicoTR Thermal Simulator yazılımı ile analiz edilmiştir (tablo 1). Üç katmanlı analizden, elmas katmanın termal iletkenliği 90 W/(m-K) olarak hesaplanmış ve Mo ile elmas katmanlar arasındaki arayüz termal direnci 6.0x10-9m2-K/Wolarak belirlenmiştir.
Elmas filmin ısı difüzyon süresi aşağıdaki denklemle 200 ns olarak tahmin edilebilir:
Isı difüzyon süresi = (kalınlık)2/(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)
bu da bu katmanın soğuma süresini temsil eder.
Tablo 1: Analiz sonuçları
Örnek isim | Mo/Elmas Arayüzey termal direnci Rm-f m²-K/W | Elmas Termal efüzivite bf J/(m²-s0,5-K) | Elmas Termal iletkenlik λf W/(m-K) | Elmas/Cam Arayüzey termal direnci Rf-s m²-K/W |
|---|---|---|---|---|
Elmas | 6.0 x 10-9 | 21700 | 190 | 1.0 x 10-9 |
Sonuç
Cam alt tabaka üzerindeki 4 μm kalınlığındaki bir elmas filmin ısıl iletkenliği PicoTR aracılığıyla ölçülmüştür.
Şekil 4'te görülebileceği gibi, elde edilen 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, elmasın yığın malzemesi için literatür değerinin 1/10'udur. Bu, elmasın tane sınırları veya kusurlu yapısı arasındaki fonon saçılması nedeniyle beklenen bir durumdur. Bu örnek, elektrikli cihazların doğru termal tasarımı için ince film ölçümünün önemini göstermektedir.
Elmasın yüksek termal iletkenliği nedeniyle, bu örnek yalnızca PicoTR FF modunda ölçülebilir.
Elmas filmleri NanoTR ile ölçerken, elmas tabakasının her iki tarafının molibden ile kaplanması RF yönteminin kullanılmasını mümkün kılar.
