Description
En bref
Les informations sur les propriétés thermophysiques des matériaux et l’optimisation du transfert de chaleur des produits finis deviennent de plus en plus vitales. l’optimisation du transfert de chaleur des produits finis sont de plus en plus vitales pour les applications industrielles. Au cours des dernières décennies, les méthodes optiques non destructives sont devenues la technique la plus couramment utilisée pour mesurer la diffusivité thermique et la conductivité thermique des matériaux.
Au cours des dernières décennies, les méthodes optiques non destructives sont devenues la technique la plus couramment utilisée pour mesurer la diffusivité et la conductivité thermiques de divers types de solides, de poudres et de liquides.
Les propriétés thermophysiques des couches minces deviennent de plus en plus importantes dans des secteurs tels que les supports de disques optiques à changement de phase, les matériaux thermoélectriques, les diodes électroluminescentes (DEL), les mémoires à changement de phase, les écrans plats et l’industrie des semi-conducteurs.
Toutes ces industries déposent un film sur un substrat afin de donner à un dispositif une fonction particulière. Comme les propriétés physiques de ces films diffèrent de celles des matériaux en vrac, ces données sont nécessaires pour établir des prévisions précises en matière de gestion thermique.
Propriétés thermiques :
- Conductivité thermique
- Capacité thermique volumétrique
- Diffusivité thermique
- Efficacité thermique
- Conductance thermique limite
Films minces :
Les films minces sont des matériaux d’une épaisseur allant de quelques nanomètres à quelques micromètres, appliqués sur des surfaces.
Leurs propriétés thermophysiques diffèrent sensiblement de celles des matériaux en vrac en fonction de l’épaisseur et de la température. Les films minces sont généralement utilisés dans les semi-conducteurs, les LED, les piles à combustible et les supports de stockage optiques.
Différents types de couches minces
- Film mince : couche de quelques nm à µm
- Les films sont cultivés sur un substrat spécifique
- Les techniques de croissance typiques sont les suivantes
- PVD (par exemple, pulvérisation cathodique, vaporisation thermique)
- CVD (PECVD, LPCVD, ALD)
- Coulée en goutte d’eau, enduction par centrifugation et impression
- Différents types de films, notamment
- Films semi-conducteurs (p. ex. thermoélectriques, capteurs, transistors)
- Films métalliques (utilisés comme contacts)
- Revêtements à barrière thermique
- Revêtements optiques
Échantillon multicouche
Film mince
(par ex. semi-conducteur, métal, organique, oxyde)
Substrats
(e.g. Si, Si3N4, Fused Silicia)
FDTR
Domaine de fréquence
Le FDTR est une technique de caractérisation sans contact des propriétés thermiques des matériaux dans le domaine des fréquences, qui permet de mesurer les propriétés thermiques des films minces. Cette méthode utilise l’effet de la thermoréflectance pour établir un thermomètre très sensible qui détecte la température de surface de l’échantillon en contrôlant sa réflectivité.
Un laser à onde continue (laser à sonde) d’une longueur d’onde de 532 nm est utilisé pour la détection, tandis que le chauffage est réalisé à l’aide d’un laser de pompe à modulation harmonique d’une longueur d’onde différente (405 nm). Le chauffage local induit des changements dans la réflectivité et le décalage de phase entre l’excitation thermique et la détection est mesuré à l’aide d’un amplificateur à verrouillage.
La modélisation de la réponse dans le domaine des fréquences à l’aide d’un modèle de transport de chaleur diffusif nous permet de déterminer la conductivité thermique, la capacité thermique volumétrique, la diffusivité thermique, l’effusivité thermique et la conductance de l’interface thermique.
Une fine couche métallique de transducteur (60-70 nm d’épaisseur) est déposée sur la surface des échantillons afin d’augmenter le coefficient de température de la réflectance, dR/dT, et en même temps de réduire la profondeur de pénétration optique dans le matériau.
Avantages :
- Plage de mesure plus large
- Manipulation plus facile
- Plus grande stabilité
- Résultats plus précis
- Possibilité de mesurer la résistance thermique de contact entre deux couches
- Pas besoin d’hypothèses sur la capacité thermique et la densité des films de faible épaisseur
Comparaison des méthodes FDTR et TDTR
Notre système FDTR (Frequency-Domain Thermoreflectance) avancé offre des avantages significatifs par rapport à la méthode TDTR (Time-Domain Thermoreflectance) traditionnelle, en optimisant la configuration et en améliorant la stabilité des mesures.
Aucun réglage du laser de la sonde n’est nécessaire : Contrairement à la méthode TDTR, où le laser de la sonde doit être ajusté par rapport à l’échantillon en raison des légères modifications de la réflexion lorsque l’échantillon est modifié, notre système FDTR élimine cette nécessité. Notre système comprend une mise au point automatique, qui ajuste en permanence la mise au point du laser de la sonde pour s’adapter à toute modification de l’échantillon, garantissant ainsi des conditions de mesure optimales sans intervention manuelle.
Des lasers alignés : Grâce aux lasers parfaitement alignés de notre système FDTR, il n’est pas nécessaire d’ajuster le faisceau laser de la sonde, ce qui simplifie la mise en place de l’échantillon et rend les mesures plus stables.
Plage de mesure plus large : Notre FDTR surpasse même les installations TDTR nano-pulsées grâce à une plage de mesure plus large. Il est possible de mesurer des couches d’échantillons plus minces et des films minces présentant une conductivité thermique plus élevée.
Pas besoin d’hypothèses : Notre algorithme d’évaluation complet vous permet de mesurer des films minces sans aucune hypothèse. Tout ce que vous devez savoir, c’est l’épaisseur de l’échantillon
Conductivité thermique anisotrophie
Dans le développement de nouvelles batteries, la direction du flux de chaleur émergeant pendant le fonctionnement joue un rôle crucial. Il est donc important de savoir que la conductivité thermique peut varier dans différentes directions à l’intérieur du matériau, ce que l’on appelle l’anisotrophie. Ce phénomène se produit généralement dans les couches minces. Les deux axes principaux ont des noms particuliers : l’un est perpendiculaire à la surface, appelé plan transversal, tandis que le plan intérieur se réfère au flux de chaleur parallèle à la surface.
Il est essentiel de comprendre les deux types de conductivité, en particulier pour les matériaux utilisés dans l’électronique, où une dissipation efficace de la chaleur est essentielle. La conductivité thermique dans le plan est particulièrement importante pour les matériaux des batteries afin de La conductivité thermique dans le plan est particulièrement importante dans les matériaux des batteries pour gérer le flux de chaleur entre les couches des cellules, ce qui a un impact sur la sécurité et l’efficacité. D’autre part, les revêtements à barrière thermique reposent sur une faible conductivité thermique dans le plan transversal, ce qui les rend idéaux pour les applications où la chaleur doit être isolée afin de protéger les composants sous-jacents sensibles. Les films minces de dioxyde de silicium SiO₂ sont un exemple de ce type de matériau de revêtement.
Les matériaux bidimensionnels, tels que les cristaux de PdSe, offrent des perspectives très intéressantes dans l’évolution de la conversion énergétique et de la gestion thermique efficaces, en raison de leur structure anisotrope et de leurs propriétés thermiques. Afin d’enchevêtrer ces caractéristiques et d’exploiter ces attributs uniques Pour démêler ces caractéristiques et exploiter ces attributs uniques, des études thermiques anisotropes doivent être réalisées.
Figure 2 : Conductivité thermique hors plan et dans le plan d’un PdSe2 de 297 nm d’épaisseur.
a) Conductivité thermique hors plan de PdSe2 le long du plan cristallographique [001].*
b) Conductivité thermique dans le plan de PdSe2 le long du plan cristallographique [100].*
c) Conductivité thermique dans le plan de PdSe2 le long du plan cristallographique [010].*
Le TF-LFA offre la possibilité de mesurer la conductivité thermique d’un tel matériau 2D non seulement dans les deux directions principales, dans le plan et hors du plan, (voir Fig. 2 b & 2 c) mais aussi sur l’axe de rotation de la surface dans deux plans cristallographiques différents.
dans deux plans cristallographiques différents.
*Les mesures ont été fournies par le Dr Juan Sebastian Reparaz.
Caractéristiques uniques
Caractérisation thermique complète:
- Mesure de la conductivité thermique, de la capacité thermique, de la diffusivité thermique et de l'effusivité thermique.
- Détermination du contact thermique entre deux couches adjacentes.
Fonction d'anisotropie:
- Fonction optionnelle
pour mesurer la conductivité thermiqueà la fois dans la direction de passage
(à travers le matériau)
et dans le plan
(perpendiculaire à l'excitation laser
).
Large plage de températures:
- L'appareil peut mesurer les propriétés thermiques
des couches minces
à température ambiante jusqu'à 500°C
Image thermique:
- La fonction optionnelle de cartographie d'échantillon
permet de suivre les propriétés thermiques
de l'échantillon
sur une surface spécifique
ou des points de la surface
, idéal pour
Tests d'homogénéité.
Optimisation automatique et option de caméra:
- Optimisation automatique du faisceau laser
pour améliorer les résultats de mesure. - Option de caméra supplémentaire fournissant des informations visuelles
et facilitant la sélection
des zones d'intérêt sur la surface de l'échantillon
.
Mesure des résistances de contact/valeurs conductrices thermiques
:
- Mesure du contact thermique
entre deux couches, par exemple entre
échantillon et surface ou échantillon et
couche de transduction.
Service d'assistance téléphonique
+49 (0) 9287/880 0
Notre service est disponible du lundi au
jeudi de 8h à 16h
et vendredi de 8h à 12h.
Nous sommes là pour vous !
Spécifications
Noir sur blanc
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 | |
Fiche technique
Logiciel
Rendre les valeurs visibles et comparables
Tous les appareils thermoanalytiques de LINSEIS sont pilotés par PC, les différents modules logiciels fonctionnent exclusivement sous les systèmes d’exploitation Microsoft® Windows®.
Le logiciel complet se compose de 3 modules : contrôle de la température, acquisition des données et analyse des données.
Comme pour les autres expériences thermoanalytiques, le logiciel LINSEIS offre toutes les fonctions essentielles pour la préparation, la réalisation et l’évaluation des mesures.
Grâce à nos spécialistes et à nos experts en applications, LINSEIS a réussi à développer ce logiciel facile à comprendre et extrêmement pratique.
Logiciels généraux
- Entièrement compatible avec MS® Windows™
- Sécurité des données en cas de panne de courant
- Evaluation de la mesure du courant
- Comparaison des courbes
- Stockage et exportation des rapports
- Exportation et importation de données ASCII
- Exportation des données vers MS Excel
Logiciel d’évaluation
- Détermination de la résistance de contact
- Modèle de transport de chaleur multicouche
- pour extraire la conductivité thermique, la diffusivité thermique, l’effusivité thermique et la capacité thermique volumétrique en une seule fois.
- l’effusivité thermique et la capacité thermique volumétrique en une seule fois
- Vérification de la faisabilité de la mesure
- Graphique de sensibilité
Logiciel de mesure
- Saisie simple et conviviale des données pour les segments de température, les gaz, etc.
- Mesure entièrement automatisée
Votre industrie
Exemple d’application : couche mince de SiO2 504 nm
Les couches minces de verre de silice pure (quartz) sont souvent utilisées dans l’industrie des semi-conducteurs et de l’électronique comme couche de protection ou d’isolation thermique ou électronique. Dans cet exemple, une couche de SiO2 a été étudiée avec l’appareil Linseis TF-LFA afin de caractériser complètement ses propriétés thermiques.
Nitrure d’aluminium AIN 200nm
Exemple d’application : nitrure d’aluminium AIN
AlN est souvent utilisé comme couche d’isolation thermique ou électronique dans les capteurs ou la microélectronique. Ses propriétés thermiques en fonction de l’épaisseur de la couche ont été étudiées par TF-LFA dans cette application.
Nitrure d’aluminium AIN 800nm
Nitrure d’aluminium AIN 1600nm
Exemple d’application : Diamant CVD – Conductivité thermique
Les échantillons de diamant à haute conductivité peuvent être mesurés à l’aide de l’analyseur de fréquence laser Linseis (TF-LFA), qui utilise la technique de thermoréflectance dans le domaine des fréquences pour caractériser le comportement thermique et garantir le contrôle de la qualité dans les applications où une dissipation thermique efficace est essentielle.
assurer le contrôle de la qualité dans les applications où une dissipation efficace de la chaleur est essentielle. Des mesures précises de la conductivité thermique sont essentielles pour vérifier la qualité et les performances des échantillons de diamant, car des facteurs tels que la taille des grains, la pureté et l’épaisseur peuvent influencer les propriétés de transport.
Mesure des propriétés thermiques du diamant CVD. L’axe des x indique la fréquence à échelle logarithmique en Hertz, tandis que l’axe des y représente le déphasage entre l’excitation par le laser de pompe et le laser de sonde. Où λ est la conductivité thermique, α est la diffusivité thermique, e est l’effusivité thermique et TBC est la conductance thermique limite entre la couche du transducteur (or) et l’échantillon (diamant). Elle détermine la capacité d’une combinaison de matériaux à échanger de la chaleur entre eux.
La thermoréflectance dans le domaine des fréquences (FDTR) est une méthode privilégiée pour mesurer la conductivité thermique de matériaux tels que le diamant CVD, en particulier dans les films minces et les échantillons à micro-échelle où une résolution spatiale élevée est essentielle.
spatiale est essentielle. L’analyseur de fréquence laser Linseis (TF-LFA) est un outil idéal à cet effet. Le FDTR utilise un laser modulé pour induire un chauffage localisé dans l’échantillon et mesurer la réponse de thermoréflectance du matériau
à différentes fréquences de modulation. Cette technique permet aux chercheurs de déterminer la conductivité thermique en modélisant le flux de chaleur à travers le diamant et ses interfaces.
Bien informé
