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 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 diversos tipos de sólidos, polvos y líquidos.
Las propiedades termofísicas de las láminas delgadas son cada vez más importantes en sectores como la fabricación de discos ópticos, materiales termoeléctricos, diodos emisores de luz (LED), memorias de cambio de fase, pantallas planas y en la industria de los semiconductores.
En todas estas industrias, se aplica una película a un sustrato para dar a un producto una función específica. Como las propiedades físicas de estas láminas difieren de las de los materiales de base, estos datos son necesarios para realizar predicciones precisas sobre la gestión térmica.
Propiedades térmicas:
- Conductividad térmica
- Capacidad calorífica volumétrica
- Difusividad térmica
- Eficiencia térmica
- Conductividad límite térmica
Películas finas:
Las láminas delgadas son materiales con un grosor de nanómetros a micrómetros que se aplican a superficies.
Sus propiedades termofísicas difieren considerablemente de las de los materiales a granel y dependen del grosor y la temperatura.
Las láminas finas se utilizan generalmente en semiconductores, LED, pilas de combustible y medios de almacenamiento óptico.
Diferentes tipos de láminas delgadas
- Capa fina: capa de unos pocos nm a µm
- Las capas se cultivan en un sustrato especial
- Las técnicas de crecimiento típicas son
- PVD (por ejemplo, pulverización catódica, vaporización térmica)
- CVD (PECVD, LPCVD, ALD)
- Moldeo por goteo, revestimiento centrífugo e impresión
- Muchos tipos diferentes de capas, entre ellas
- Capas semiconductoras (por ejemplo, termoeléctricas, sensores, transistores)
- Capas metálicas (utilizadas como contactos)
- Revestimientos de barrera térmica
- Recubrimientos ópticos
Muestra multicapa
Película fina (por ejemplo, semiconductor, metal, orgánico, óxido)
Sustratos (por ejemplo, Si,Si3N4, Silicio fundido)
FDTR Dominio de la frecuencia
La FDTR es una técnica de caracterización sin contacto de las propiedades térmicas de los materiales de película fina en el rango de frecuencias, que mide las propiedades térmicas de las películas finas. Este método utiliza el efecto de la termorreflexión para crear un termómetro muy sensible que detecta la temperatura de la superficie de la muestra controlando su reflectividad.
Para la detección se utiliza un láser de onda continua (láser sonda) con una longitud de onda de 532 nm, mientras que el calentamiento se consigue con un láser bomba modulado armónicamente con una longitud de onda diferente (405 nm). El calentamiento localizado provoca cambios en la reflectividad y el retardo de fase entre la excitación térmica y la detección se mide con un amplificador lock-in.
La modelización de la reacción en el dominio de la frecuencia con un modelo de transporte de calor difusivo nos permite determinar la conductividad térmica, la capacidad calorífica volumétrica, la difusividad térmica, la eficiencia térmica y la conductividad de la interfaz térmica.
Se aplica una fina capa metálica transductora (de 60-70 nm de grosor) a la superficie de las muestras para aumentar el coeficiente de temperatura de la reflectividad, dR/dT, y al mismo tiempo reducir la profundidad de penetración óptica en el material.
Ventajas:
- Mayor rango de medición
- Manejo más fácil
- Mayor estabilidad
- Resultados más precisos
- Posibilidad de medir la resistencia térmica de contacto entre dos capas
- Sin suposiciones sobre la capacidad calorífica y la densidad de las películas finas de la muestra
Comparación de los métodos FDTR y TDTR
Nuestro avanzado sistema de termorreflexión en el dominio de la frecuencia (FDTR) ofrece importantes ventajas sobre el método convencional de termorreflexión en el dominio del tiempo (TDTR), ya que optimiza la configuración y mejora la estabilidad de la medición.
No es necesario ajustar el láser de la sonda: a diferencia de la disposición TDTR, en la que es necesario ajustar el láser de la sonda debido a ligeros cambios en la reflectancia a medida que la muestra cambia con respecto a la muestra, nuestro sistema FDTR elimina este requisito. Nuestro sistema tiene una función de enfoque automático que ajusta continuamente el enfoque del láser de la sonda para tener en cuenta los cambios 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 facilita la preparación de la muestra y hace que las mediciones sean más estables.
Mayor rango de medición: Nuestro FDTR supera incluso a las configuraciones TDTR nanopulsadas con un mayor rango de medición. Se pueden medir capas de muestra más finas y películas delgadas con mayor conductividad térmica.
Sin supuestos: nuestro completo algoritmo de evaluación te permite medir películas finas sin ningún supuesto. Todo lo que necesitas saber es el grosor de la muestra.
Anisotropía de la conductividad térmica
En el desarrollo de nuevas pilas, la dirección del flujo del calor generado durante el funcionamiento desempeña un papel decisivo. Por eso es importante saber que la conductividad térmica puede ser diferente en distintas direcciones dentro del material, lo que se conoce como anisotropía. Esto suele ocurrir en las láminas delgadas. Los dos ejes principales tienen nombres especiales: Uno es perpendicular a la superficie, llamado plano transversal, mientras que el plano interior se refiere al flujo de calor paralelo a la superficie.
Es importante conocer ambos tipos, 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 pilas para controlar el flujo de calor a través de las capas de la célula, lo que afecta a la seguridad y la eficacia. Por otra parte, los revestimientos de barrera térmica se basan en una baja conductividad térmica en el plano, lo que los hace ideales para aplicaciones en las que se requiere aislamiento térmico para proteger los componentes sensibles subyacentes. Las finas películas de dióxido de silicio SiO₂ son un ejemplo de este tipo de material de recubrimiento.
Los materiales bidimensionales, como los cristales de PdSe, ofrecen posibilidades sumamente interesantes para el desarrollo de la conversión eficiente de energía y la gestión del calor, debido a su estructura anisótropa y, por tanto, a sus propiedades térmicas.
Para captar estas características y utilizar estas propiedades únicas, deben llevarse a cabo investigaciones térmicas anisotrópicas.
Figura 2: Conductividad térmica de un PdSe2 de 297 nm de grosor en el plano y fuera del plano.
[001]a) Conductividad térmica fuera del plano del PdSe2 a lo largo del plano cristalográfico .*
[100]b) Conductividad térmica del PdSe2 dentro del plano a lo largo del plano cristalográfico .*
[010]c) Conductividad térmica del PdSe2 en el plano a lo largo del plano cristalográfico .*
El TF-LFA ofrece la posibilidad de medir la conductividad térmica de un material 2D de este tipo no sólo en las dos direcciones principales, dentro y fuera del plano (ver Fig. 2 b y 2 c), sino también a lo largo del eje de rotación de la superficie en dos planos cristalográficos diferentes .
*Las mediciones fueron realizadas 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.
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Nuestro servicio está disponible de lunes a jueves de 8 a 16 h y los viernes de 8 a 12 h.
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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 multicapa de transporte de calor
- para la determinación simultánea de la conductividad térmica, la difusividad térmica y la eficiencia térmica
- y la capacidad calorífica volumétrica
- Comprobación de la mensurabilidad
- Diagrama de sensibilidad
Software de medición
- Introducción de datos sencilla y fácil de usar para segmentos de temperatura, gases, etc.
- Medición totalmente automática
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 con alta conductividad pueden medirse con el Analizador de Frecuencia Láser Linseis (TF-LFA), que utiliza la técnica de Termorreflexión en el Dominio de la Frecuencia para caracterizar el comportamiento térmico y para
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 afectar a 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 muestra el desplazamiento de fase entre la excitación por el láser de bombeo y el láser de muestra. Donde λ es la conductividad térmica, α es la difusividad térmica, e es la efusividad térmica y TBC es la conductividad térmica límite entre la capa transductora (oro) y la muestra (diamante). Determina lo bien que una combinación de materiales es capaz de intercambiar calor entre sí.
La termorreflexión en el dominio de la frecuencia (FDTR) es un método preferido para medir la conductividad térmica en materiales como el diamante CVD, sobre todo en películas finas y muestras a microescala, donde se requiere una alta resolución espacial.
. Der Linseis Laser Frequency Analyzer (TF-LFA) ist ein ideales Werkzeug für diesen Zweck. FDTR verwendet einen modulierten Laser, um eine lokale Erwärmung in der Probe zu induzieren, und misst die Thermoreflexionsantwort des Materials
a distintas frecuencias de modulación. Esta técnica permite a los investigadores determinar la conductividad térmica modelizando el flujo de calor a través del diamante y sus interfaces.
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