概要
要点
材料の熱物性に関する情報と最終製品からの熱伝達の最適化は、産業用途においてますます重要になってきています。ここ数十年、非破壊的な光学的方法は、様々な種類の固体、粉体、液体の熱拡散率や熱伝導率を測定するために最も一般的に使用される技術となっています。
薄膜の熱物理特性は、光ディスク、熱電材料、発光ダイオード（LED）、相変化メモリー、フラットスクリーン、半導体産業などの製造分野において、ますます重要になってきている。
これらすべての産業において、フィルムは製品に特定の機能を持たせるために基材に塗布される。これらのフィルムの物理的特性は基材とは異なるため、正確な熱管理予測にはこのデータが必要です。
熱特性：
薄膜：
薄膜とは、ナノメートルからマイクロメートルの厚さで、表面に塗布される材料のことである。
その熱物理特性はバルク材料とは大きく異なり、厚さと温度に依存する。
薄膜は一般に、半導体、LED、燃料電池、光記憶媒体などに使用される。
薄膜の種類
- 薄膜：数nmからµmの層
- 層は特殊な基板上で成長する
- 代表的な成長技術は以下の通りである。
- PVD（スパッタリング、熱蒸着など）
- CVD（PCVD, LPCVD, ALD）
- ドリップ成形、遠心コーティング、印刷
- さまざまな種類のレイヤーがある：
- 半導体層（サーモエレクトリック、センサー、トランジスタなど）
- 金属層（接点として使用）
- 遮熱コーティング
- 光学コーティング
多層サンプル
薄膜（半導体、金属、有機物、酸化物など）
基板（Si、Si3N4、溶融シリシアなど）
FDTR周波数領域
FDTRは、薄膜材料の熱特性を周波数領域で測定する非接触特性評価技術です。この方法は、反射率をモニターすることで試料の表面温度を検出する高感度温度計を作成するために、熱反射率の効果を利用します。
検出には波長532nmの連続波レーザー（プローブ・レーザー）を用い、加熱は異なる波長（405nm）の高調波変調ポンプ・レーザーで行う。局所的な加熱により反射率が変化し、熱励起と検出の間の位相遅延がロックインアンプで測定される。
拡散性熱輸送モデルを用いて周波数領域で反応をモデル化することにより、熱伝導率、体積熱容量、熱拡散率、熱効率、熱界面伝導率を求めることができる。
反射率の温度係数dR/dTを増加させ、同時に材料への光侵入深さを減少させるために、薄い金属トランスデューサ層（厚さ60～70nm）がサンプル表面に適用される。
利点がある：
- より広い測定範囲
- 取り扱いが容易
- より高い安定性
- より正確な結果
- 2層間の熱接触抵抗の測定が可能
- 薄い試料膜の熱容量や密度に関する仮定は不要
FDTR法とTDTR法の比較
当社の先進的なFDTR（周波数領域サーモフレクタンス）システムは、セットアップの最適化と測定の安定性の向上により、従来のTDTR（時間領域サーモフレクタンス）法よりも大きな利点を提供します。
プローブレーザーの調整が不要：試料との相対的な位置関係で反射率がわずかに変化するため、プローブレーザーを調整する必要があるTDTR配置とは異なり、当社のFDTRシステムではこの必要がありません。当社のシステムは、試料の変化を考慮してプローブ・レーザーの焦点を連続的に調整する自動フォーカシング機能を備えており、手動による介入なしに最適な測定条件を確保します。
アライメントされたレーザー：FDTRシステムのレーザーは完全にアライメントされているため、プローブのレーザービームを調整する必要がありません。
より広い測定範囲：当社のFDTRは、より広い測定範囲により、ナノパルスTDTRセットアップをも凌駕します。より薄いサンプル層や熱伝導率の高い薄膜の測定が可能です。
仮定不要：当社の包括的な評価アルゴリズムにより、仮定なしで薄膜を測定できます。必要なのはサンプルの厚さだけです。
熱伝導率の異方性
新しい電池の開発では、作動中に発生する熱の流れ方向が決定的な役割を果たす。そのため、熱伝導率が材料内の異なる方向で異なる可能性があることを知ることは重要であり、これは異方性として知られている。これは一般的に薄膜で起こります。2つの主軸には特別な名前があります：一方は表面に垂直な方向で、横方向と呼ばれ、面内方向は表面に平行な熱流を指す。
特に効率的な放熱が重要な電子機器に使用される材料では、両方のタイプを理解することが重要です。面内熱伝導率は、電池材料では特に重要で、セル層全体の熱流を制御し、安全性と効率に影響します。一方、遮熱コーティングは低い面内熱伝導率に依存しており、繊細な基礎部品を保護するために断熱が必要な用途に最適です。薄い二酸化ケイ素SiO₂膜は、このタイプのコーティング材料の一例です。
PdSe結晶のような二次元材料は、その異方性構造とそれによる熱的特性により、効率的なエネルギー変換と熱管理の開発に極めて興味深い可能性を提供する。
これらの特徴を捉え、ユニークな特性を利用するためには、異方性熱研究を実施する必要がある。
図2：厚さ297 nmのPdSe2の面内および面外での熱伝導率。
[001]a) PdSe2の 結晶面に沿った面外熱伝導率。
[100]b) PdSe2の結晶学的平面に沿った面内の熱伝導率。
[010]c) PdSe2の結晶面に沿った面内の熱伝導率。
TF-LFAは、このような2次元材料の熱伝導率を、面内と面外の両方向だけでなく（図2 bとc参照）、表面の回転軸に沿って2つの 異なる結晶面で測定 する可能性を提供する。
*測定はフアン・セバスチャン・レパラズ博士が行った。
ユニークな特徴
包括的な熱特性評価：
- 熱伝導率、熱容量、熱拡散率、熱膨張率の測定。
- 隣接する2つの層間の熱的接触の判定。
異方性関数：
-
貫通方向（材料を貫通）と面内（レーザー励起に垂直）の両方の熱伝導率を測定するオプション機能。
広い温度範囲：
-
室温から500℃までの薄膜の熱特性を測定することができる。
サーマルイメージング：
-
オプションのサンプルマッピング機能により、サンプルの熱特性を表面の特定のエリアまたはポイントにわたって追跡することができ、均質性試験に最適です。
自動最適化とカメラオプション：
- レーザービームの自動最適化により、測定結果を改善します。
-
視覚情報を提供し、試料表面の関心点の選択を容易にする追加カメラオプション。
熱接触抵抗/導電値の測定：
-
試
料と表面、試料とトランスデューサー層など、2つの層間の熱接触の測定。
サービスホットライン
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月曜日から木曜日は午前8時から午後4時まで、金曜日は午前8時から午後12時までご利用いただけます。
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仕様
基本情報
MODEL | TF-LFA L54 |
|---|---|
| Sample dimensions: | Any shape between 2mm x 2mm and 25mm x 25mm lateral size |
| Thin film samples: | 10nm up to 20μm* (depends on sample) |
| Temperature range: | RT, RT up to 200/500°C Sample holder for 4“ Wafer (only RT) |
| Measured properties: | Thermal conductivity Thermal diffusivity Thermal interface resistance Volumetric specific heat capacitiy Thermal effusivity |
| Options: | Anisotrophy: Measurement of cross-plane and in-plane thermal properties Sample mapping: Scanning multiple positions of the sample pointwise or clusterwise. Mapping area: 10 mm² Stepsize: 50 μm Camera: Allows the user to view the present sample surface and the position of the laser beams to record the actual measurement position. |
| Atmosphere: | inert, oxidizing or reducing vaccuum up to 10E-4mbar |
| Diffusivity measuring range: | 0.01mm2/s up to 1200mm2/s (depends on sample) |
| Pump laser: | CW Laser (405 nm, 300 mW, modulations frequency up to 200 MHz) |
| Probe laser: | CW Laser (532 nm, 25 mW) |
| Photodetector: | Si Avalanche Photodetector, active diameter: 0.2 mm, bandwidth: DC - 400MHz |
| Power supply: | AC 100V ~ 240V, 50/60 Hz, 1 kVA |
| Software: | Included. Software package using multi-layer analysis for calculation of thermophysical properties |
| *Actual thickness range depends on sample | |
データシート
ソフトウェア
価値を可視化し、比較可能にする
LINSEISの熱分析装置はすべてPC制御で、各ソフトウェアモジュールはMicrosoft® Windows®オペレーティングシステムのみで動作します。
ソフトウェアは温度制御、データ収集、データ評価の3つのモジュールで構成されています。
他の熱分析実験と同様に、LINSEISソフトウェアは測定の準備、実行、分析に必要なすべての機能を備えています。
当社のスペシャリストとアプリケーションの専門家により、LINSEISは分かりやすく実用性の高いソフトウェアの開発に成功しました。
一般ソフトウェア
- MS® Windows™と完全互換
- 停電時のデータ・セキュリティ
- 現在の測定値の評価
- カーブの比較
- 分析の保存とエクスポート
- ASCIIデータのエクスポートとインポート
- MS Excelへのデータエクスポート
評価ソフトウェア
- 接触抵抗の測定
- 多層熱輸送モデル
- 熱伝導率、熱拡散率、熱効率の同時測定用
- と体積熱容量
- 測定可能性のチェック
- 感度図
計測ソフトウェア
- 温度セグメント、ガスなど、シンプルでユーザーフレンドリーなデータ入力。
- 完全自動測定
アプリケーション
窒化アルミニウム AIN 200nm
使用例：窒化アルミニウム AIN
AlNは、センサーやマイクロエレクトロニクスの熱絶縁層や電子絶縁層として頻繁に使用されている。今回、TF-LFAを用いて層厚に依存する熱特性を調べた。
窒化アルミニウム AIN 800nm
窒化アルミニウム AIN 1600nm
用途例：CVDダイヤモンド – 熱伝導性
高い導電率を持つダイヤモンド試料は、周波数領域サーモリフレクタンス法を用いて熱挙動を評価するリンゼスレーザー周波数アナライザー(TF-LFA)で測定することができます。
効率的な熱放散が重要な用途における品質管理正確な熱伝導率測定は、粒径、純度、厚さなどの要因が輸送特性に影響するため、ダイヤモンド試料の品質と性能を確認するために不可欠です。
CVDダイヤモンドの熱特性の測定。x軸はヘルツ単位で対数スケーリングした周波数を示し、y軸はポンプレーザーによる励起とサンプルレーザーによる励起の間の位相シフトを示す。ここで、λは熱伝導率、αは熱拡散率、eは熱膨張率、TBCはトランスデューサ層（金）と試料（ダイヤモンド）の間の熱境界伝導率である。この熱伝導率によって、材料の組み合わせが互いにどれだけ熱交換できるかが決まります。
周波数領域熱反射率（FDTR）は、CVDダイヤモンドのような材料の熱伝導率を測定するのに適した方法であり、特に薄膜やマイクロスケールの試料では高い空間分解能が要求されます。
.Linseis Laser Frequency Analyzer（TF-LFA）は、この目的に最適なツールです。FDTRは、変調レーザーを使用して試料内に局所的な加熱を誘導し、さまざまな変調周波数における材料の熱反射応答を測定します。この技術により、ダイヤモンドおよびその界面を通る熱の流れをモデル化し、熱伝導率を特定することが可能になります。
十分な情報
