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Analyse thermique dans le domaine de la technologie des couches minces

Les propriétés physiques des films minces sont de plus en plus importantes dans les industries et les applications telles que les matériaux à changement de phase, les supports de disques optiques, les matériaux thermoélectriques, les diodes électroluminescentes (DEL), les piles à combustible, les mémoires à changement de phase, les écrans plats et l’industrie des semi-conducteurs en général.

Toutes ces industries utilisent des configurations à une ou plusieurs couches afin de donner à un appareil une fonction particulière. Comme les propriétés physiques des couches minces diffèrent considérablement de celles des matériaux en vrac, il est nécessaire d’obtenir leurs propriétés en fonction de l’épaisseur et de la température avec des dispositifs de caractérisation adaptés. En raison des rapports d’aspect élevés et des techniques de dépôt, une diffusion supplémentaire aux limites et à la surface se produit, ce qui réduit les propriétés de transport.

Comme les exigences en matière de mesure peuvent être différentes de celles des matériaux en vrac, il faut utiliser une métrologie différente.

La conductivité thermique et électrique des matériaux en couches minces est généralement plus faible que celle de leurs homologues en vrac, parfois de façon spectaculaire. Par exemple, à température ambiante, le lambda d’un film de Si de 20 nm ou d’un nanofil peut être cinq fois plus petit [1] que celui de son homologue monocristallin. Pour 100 nm d’Au, on peut montrer que les propriétés de transport sont presque divisées par deux [2]. En général, on peut dire que les propriétés de transport ne dépendent pas seulement de la température mais aussi de l’épaisseur [3].

De telles réductions de la conductivité thermique se produisent généralement pour deux raisons fondamentales. Premièrement, par rapport aux monocristaux en vrac, de nombreuses technologies de synthèse de couches minces entraînent plus d’impuretés, de désordre et de limites de grains, ce qui tend à réduire la conductivité thermique. Deuxièmement, même une couche mince atomiquement parfaite est censée avoir une conductivité thermique réduite en raison de la diffusion aux limites, des fuites de phonons et des interactions connexes. Ces deux mécanismes de base affectent généralement différemment le transport dans le plan et le transport transversal, de sorte que la conductivité thermique des couches minces est généralement anisotrope, même pour les matériaux dont les formes massives ont un lambda isotrope.

[1] Li, Deyu, et al. “Thermal conductivity of individual silicon nanowires.” Applied Physics Letters 83.14 (2003): 2934-2936.

[2] Linseis, V., Völklein, F., Reith, H., Nielsch, K., and Woias, P. 2018. Thermoelectric properties of Au and Ti nanofilms, characterized with a novel measurement platform. Materials Today: Proceedings, ECT2017 Conference Proceedings.

[3]  Linseis, V., Völklein, F., Reith, H., Hühne, R., Schnatmann, L., Nielsch, K., and Woias, P. 2018. Thickness and temperature dependent thermoelectric properties of Bi87Sb13 nanofilms measured with a novel measurement platform. Semiconductor Science and Technology.

Applications avec des couches minces thermoélectriques

 

TFA – film mince thermoélectrique Au

App. Nr. 02-013-002 TFA - film mince thermoélectrique - propriétés thermoélectriques - métaux et alliages 2

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TFA – film mince thermoélectrique Bi87Sb13

App. Nr. 02-013-001 TFA - film mince thermoélectrique - propriétés thermoélectriques - semi-conducteur

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TFA – film mince thermoélectrique PEDOT:PSS

App. Nr. 02-013-003 TFA - film mince thermoélectrique - propriétés thermoélectriques - semi-conducteur

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