Descripción de la
Al grano
La información sobre las propiedades termofísicas de los materiales y la optimización de la transferencia de calor de los productos finales es cada vez más importante. transferencia de calor de los productos finales es cada vez más importante para las aplicaciones industriales. para las aplicaciones industriales. En las últimas décadas, los métodos ópticos no destructivos se han convertido en la técnica más utilizada para medir la difusividad térmica y la conductividad térmica de los materiales. no destructivos se han convertido en la técnica más utilizada para medir la difusividad térmica y la conductividad térmica de diversos tipos de sólidos, polvos y líquidos.
Las propiedades termofísicas de las películas finas son cada vez más importantes en sectores como los discos ópticos de cambio de fase, los materiales termoeléctricos, los diodos emisores de luz (LED), las memorias de cambio de fase, las pantallas planas y la industria de semiconductores.
Todas estas industrias depositan una película sobre un sustrato para dotar a un dispositivo de una función determinada. Dado que las propiedades físicas de estas películas difieren de las de los materiales a granel, estos datos son necesarios para realizar predicciones precisas sobre la gestión térmica.
Propiedades térmicas:
- Conductividad térmica
- Capacidad calorífica volumétrica
- Difusividad térmica
- Eficiencia térmica
- Conductancia térmica límite
Películas finas:
Las películas finas son materiales con espesores de nanómetros a micrómetros, aplicados a superficies.
Sus propiedades termofísicas difieren significativamente de las de los materiales a granel en función del grosor y la temperatura. Las películas finas se utilizan normalmente en semiconductores, LED, pilas de combustible y medios de almacenamiento óptico.
Diferentes tipos de películas finas
- Película fina: capa de unos pocos nm a µm
- Las películas se cultivan sobre un sustrato específico
- Las técnicas de cultivo más habituales son
- PVD (por ejemplo, pulverización catódica, vaporización térmica)
- CVD (PECVD, LPCVD, ALD)
- Fundición en gota, recubrimiento por centrifugación e impresión
- Varios tipos de películas, entre ellas
- Películas semiconductoras (por ejemplo, termoeléctricas, sensores, transistores)
- Láminas metálicas (utilizadas como contactos)
- Recubrimientos de barrera térmica
- Recubrimientos ópticos
Muestra multicapa
FDTR Dominio de la frecuencia
La FDTR es una técnica de caracterización sin contacto de las propiedades térmicas de materiales de películas finas en el dominio de la frecuencia, que mide las propiedades térmicas de las películas finas. Este método utiliza el efecto de la termorreflexión para establecer un termómetro altamente sensible que detecta la temperatura de la superficie de la muestra monitorizando su reflectividad.
Para la detección se utiliza un láser de onda continua (láser de sonda) con una longitud de onda de 532 nm, mientras que el calentamiento se consigue con un láser de bombeo modulado armónicamente a una longitud de onda diferente (405 nm). El calentamiento local induce cambios en la reflectividad, y el desfase entre la excitación térmica y la detección se mide utilizando un amplificador lock-in.
La modelización de la respuesta en el dominio de la frecuencia con un modelo de transporte de calor difusivo permite determinar la conductividad térmica, la capacidad calorífica volumétrica, la difusividad térmica, la efusividad térmica y la conductancia de la interfaz térmica.
Se deposita una fina capa metálica transductora (de 60 a 70 nm de espesor) sobre la superficie de las muestras para aumentar el coeficiente de temperatura de la reflectancia, dR/dT, y al mismo tiempo reducir la profundidad de penetración óptica en el material.
Ventajas:
- Mayor rango de medición
- Manejo más sencillo
- Mayor estabilidad
- Resultados más precisos
- Posibilidad de medir la resistencia térmica de contacto entre dos capas
- No es necesario hacer suposiciones sobre capacidad calorífica y densidad de películas de muestra
Comparación de los métodos FDTR y TDTR
Nuestro avanzado sistema de termorreflexión en el dominio de la frecuencia (FDTR) ofrece ventajas significativas sobre el método tradicional de termorreflexión en el dominio del tiempo (TDTR), optimizando la configuración y mejorando la estabilidad de la medición.
No es necesario ajustar el láser de la sonda: A diferencia de la disposición TDTR, en la que el láser de la sonda debe ajustarse con respecto a la muestra debido a ligeros cambios en la reflexión cuando se altera la muestra, nuestro sistema FDTR elimina este requisito. Nuestro sistema incluye enfoque automático, que ajusta continuamente el enfoque del láser de la sonda para adaptarse a cualquier cambio en la muestra, garantizando unas condiciones de medición óptimas sin intervención manual.
Láseres alineados: Gracias a los láseres perfectamente alineados de nuestro sistema FDTR, no es necesario ajustar el haz láser de la sonda, lo que simplifica la preparación de la muestra y aumenta la estabilidad de las mediciones.
Mayor rango de medición: Nuestro FDTR supera incluso a las configuraciones TDTR de nanopulsos con un rango de medición más amplio. Se pueden medir capas de muestras más finas y películas delgadas con mayor conductividad térmica.
Sin necesidad de suposiciones: Nuestro completo algoritmo de evaluación le permite medir películas finas sin necesidad de suposiciones. Todo lo que necesita saber es el grosor de la muestra
Conductividad térmica anisotrofia
En el desarrollo de nuevas baterías, la dirección de flujo del calor emergente durante el funcionamiento desempeña un papel crucial. Por lo tanto, es importante saber que la conductividad térmica puede diferir en distintas direcciones dentro del material, lo que se denomina anisotrofia. Esto suele ocurrir en las películas finas. Los dos ejes principales tienen nombres especiales: uno es perpendicular a la superficie, conocido como cross-plane, mientras que in-plane se refiere al flujo de calor paralelo a la superficie.
Comprender ambos tipos es esencial, sobre todo para los materiales utilizados en electrónica, donde la disipación eficaz del calor es fundamental. La conductividad térmica en el plano es especialmente importante en los materiales de las baterías para gestionar el flujo de calor a través de las capas de la célula, lo que repercute en la seguridad y la eficiencia. Por otro lado, los revestimientos de barrera térmica se basan en una baja conductividad térmica transversal, lo que los hace ideales para aplicaciones en las que el calor debe aislarse para proteger los componentes sensibles subyacentes. Un ejemplo de este tipo de material de revestimiento son las películas finas de dióxido de silicio SiO₂.
Los materiales bidimensionales, como los cristales de PdSe, ofrecen posibilidades muy interesantes en la evolución de la conversión eficiente de energía y la gestión térmica, debido a su estructura anisótropa y sus propiedades térmicas. Para estas características y explotar estos atributos únicos, es necesario realizar investigaciones térmicas anisotrópicas.
Figura 2: Conductividad térmica fuera del plano y dentro del plano de un PdSe2 de 297 nm de espesor.
a) Conductividad térmica fuera del plano de PdSe2 a lo largo del plano cristalográfico [001].
b) Conductividad térmica en el plano de PdSe2 a lo largo del plano cristalográfico [100].
c) Conductividad térmica en el plano de PdSe2 a lo largo del plano cristalográfico [010].
El TF-LFA ofrece la posibilidad de medir la conductividad térmica de un material 2D no sólo en las dos direcciones principales, dentro y fuera del plano, (ver Fig. 2 b y 2 c) incluso sobre el eje de rotación de la superficie en dos planos cristalográficos diferentes. planos cristalográficos diferentes.
*Las mediciones han sido facilitadas por el Dr. Juan Sebastián Reparaz.
Características únicas
Caracterización térmica exhaustiva:
- Medición de la conductividad térmica, la capacidad calorífica, la difusividad térmica y la efusividad térmica.
- Determinación del contacto térmico entre dos capas vecinas.
Función de anisotropía:
-
Función opcional para medir la conductividad térmica tanto en la dirección de paso (a través del material) como en el plano (perpendicular a la excitación láser).
Amplia gama de temperaturas:
-
El dispositivo puede medir las propiedades térmicas de películas finas a temperatura ambiente hasta 500°C
Imágenes térmicas:
-
Con la función opcional de mapeo de la muestra, se pueden seguir las propiedades térmicas de la muestra en una zona o puntos concretos de la superficie , ideal para pruebas de homogeneidad.
Optimización automática y opción de cámara:
- Optimización automática del rayo láser para mejorar los resultados de la medición.
-
Opción de cámara adicional que proporciona información visual y facilita la selección de puntos de interés en la superficie de la muestra.
Medición de resistencias térmicas de contacto/valores conductivos:
-
Medición del contacto térmico entre dos capas, por ejemplo, entre la muestra y la superficie o la muestra y la capa transductora.
Línea de atención telefónica
+49 (0) 9287/880 0
Nuestro servicio está disponible de lunes a jueves de 8 a 16 h y los viernes de 8 a 12 h.
¡Estamos a tu disposición!
Especificaciones
Negro sobre blanco
MODELL | TF-LFA |
|---|---|
| Abmessungen der Probe: | Jede Form zwischen 2mm x 2mm und 25mm x 25mm Seitenlänge |
| Dünnschichtproben: | 10nm bis zu 20μm* (abhängig von der Probe) |
| Temperaturbereich: | RT, RT bis zu 200/500°C Probenhalter für 4" Wafer (nur RT) |
| Gemessene Eigenschaften: | Wärmeleitfähigkeit Temperaturleitfähigkeit Thermischer Oberflächenwiderstand Volumetrische spezifische Wärmekapazität Thermische Leistungsfähigkeit |
| Optionen: | Anisotrophie: Messung der thermischen Eigenschaften quer zur Ebene und in der Ebene Probenabbildung: Abtasten mehrerer Positionen der Probe punkt- oder gruppenweise. Mapping-Bereich: 10 mm² Schrittweite: 50 μm Kamera: Ermöglicht es dem Benutzer, die aktuelle Probenoberfläche und die Position der Laserstrahlen zu betrachten, um die tatsächliche Messposition zu erfassen. |
| Atmosphären: | inert, oxidierend oder reduzierend Vakuum bis zu 10E-4mbar |
| Messbereich Diffusität: | 0,01mm2/s bis zu 1200mm2/s (je nach Probe) |
| Pump-Laser: | CW-Laser (405 nm, 300 mW, Modulationsfrequenz bis zu 200 MHz) |
| Sondenlaser: | CW Laser (532 nm, 25 mW) |
| Photodetektor: | Si-Avalanche-Photodetektor, aktiver Durchmesser: 0,2 mm, Bandbreite: DC - 400MHz |
| Stromversorgung: | AC 100V ~ 240V, 50/60 Hz, 1 kVA |
| Software: | Enthalten. Softwarepaket zur Berechnung der thermophysikalischen Eigenschaften durch Mehrschichtanalyse |
| *Der tatsächliche Dickenbereich hängt von der Probe ab | |
Ficha técnica
Software
Hacer visibles y comparables los valores
Todos los dispositivos termoanalíticos LINSEIS están controlados por PC, los módulos de software individuales funcionan exclusivamente con sistemas operativos Microsoft® Windows®.
El software completo consta de 3 módulos: control de temperatura, adquisición de datos y evaluación de datos.
Al igual que en otros experimentos termoanalíticos, el software LINSEIS ofrece todas las funciones esenciales para preparar, realizar y analizar las mediciones.
Gracias a nuestros especialistas y expertos en aplicaciones, LINSEIS ha conseguido desarrollar este software fácil de entender y muy práctico.
Software general
- Totalmente compatible con MS® Windows™
- Seguridad de los datos en caso de apagón
- Evaluación de la medida actual
- Comparación de las curvas
- Almacenamiento y exportación de análisis
- Exportación e importación de datos ASCII
- Exportación de datos a MS Excel
Software de evaluación
- Determinación de la resistencia de contacto
- Modelo de transporte térmico multicapa
- para extraer la conductividad térmica, la difusividad térmica, la
- efusividad térmica y la capacidad calorífica volumétrica a la vez
- Comprobación de la viabilidad de la medición
- Gráfico de sensibilidad
Software de medición
- Introducción de datos fácil y cómoda para segmentos de temperatura, gases, etc.
- Medición totalmente automatizada
Aplicaciones
Ejemplo de aplicación: película fina de SiO2 de 504 nm
Las capas finas de vidrio de dióxido de silicio puro (cuarzo) se utilizan a menudo en la industria electrónica y de semiconductores como capa protectora o capa aislante térmica o electrónica. En este ejemplo, se examinó una capa de SiO2 con el dispositivo Linseis TF-LFA para caracterizar completamente sus propiedades térmicas.
Nitruro de aluminio AIN 200nm
Ejemplo de aplicación: nitruro de aluminio AIN
El AlN se utiliza con frecuencia como capa aislante térmica o capa aislante electrónica en sensores o microelectrónica. Sus propiedades térmicas en función del grosor de la capa se investigaron mediante TF-LFA en esta aplicación.
Nitruro de aluminio AIN 800nm
Nitruro de aluminio AIN 1600nm
Ejemplo de aplicación: Diamante CVD – Conductividad térmica
Las muestras de diamante de alta conductividad pueden medirse con el analizador de frecuencia láser de Linseis (TF-LFA), que utiliza la técnica de termorreflexión en el dominio de la frecuencia para caracterizar el comportamiento térmico y garantizar el control de calidad en aplicaciones en las que la disipación eficaz del calor es fundamental. garantizar el control de calidad en aplicaciones en las que la disipación eficaz del calor es fundamental. Las mediciones precisas de la conductividad térmica son esenciales para verificar la calidad y el rendimiento de las muestras de diamante, ya que factores como el tamaño de grano, la pureza y el grosor pueden influir en las propiedades de transporte.
Medición de las propiedades térmicas del diamante CVD. El eje x muestra la frecuencia escalada logarítmicamente en hercios, mientras que el eje y representa el desplazamiento de fase entre la excitación por el láser de bombeo y el láser de sonda. Donde λ es la conductividad térmica, α es la difusividad térmica, e es la efusividad térmica y TBC es la conductancia térmica límite entre la capa transductora (oro) y la muestra (diamante). Determina la capacidad de una combinación de materiales para intercambiar calor entre sí.
La termorreflexión en el dominio de la frecuencia (FDTR) es el método preferido para medir la conductividad térmica en materiales como el diamante CVD, especialmente en películas finas y muestras a microescala en las que es esencial una alta resolución espacial. espacial. El analizador de frecuencia láser de Linseis (TF-LFA) es una herramienta ideal para este fin. El TF-LFA utiliza un láser modulado para inducir un calentamiento localizado en la muestra y mide la respuesta de termorreflexión del material del material a distintas frecuencias de modulación. Esta técnica permite a los investigadores determinar la conductividad térmica modelando el flujo de calor a través del diamante y sus interfaces.
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