薄膜分析

薄膜分析用測定装置

TFA薄膜分析

薄膜の物理的特性に関する正確な知識は、多くの産業分野や用途においてますます重要になってきている。
典型的な例としては、いわゆる相変化材料、光学記憶媒体、熱電材料、発光ダイオード（LED）、燃料電池、相変化メモリ、フラットスクリーン、そして半導体産業全般が挙げられる。

これらの産業はすべて、デバイス（またはアセンブリ）に特定の機能を持たせるために、単層または多層システムを使用している。
薄層の物理的特性は固体材料とは大きく異なるため、適切な測定装置を用いてその厚みと温度依存特性を決定する必要がある。
これは、アスペクト比（層の厚さと横方向の広がり）が大きいと、境界効果や表面散乱効果が加わり、電荷や熱の輸送が著しく低下することが多いためである。
さらに、薄膜を製造するための成膜技術は多岐にわたり、これらも薄膜の材料特性に大きな影響を与える。

薄膜と固体材料の特性評価の要件は、場合によっては大きく異なるため、2つの領域で異なる測定技術を使用する必要があります。

薄膜の熱伝導率や電気伝導率は通常、同等の固体材料よりも低い。
例えば、室温における20 nmのSi薄膜またはナノワイヤの熱伝導率λは、固体の単結晶に比べて5分の1になる[1]。
厚さ100 nmの金薄膜の場合、電気伝導率と熱伝導率もほぼ半減することが示されている[2]。
一般に、輸送特性は温度に依存するだけでなく、厚さにも強く依存すると言える[3]。

このような導電率の低下は、一般的に2つの原因に起因すると考えられる。
一方では、使用される薄膜合成技術により、薄膜中の不純物や欠陥が大きくなることが多く、材料内の無秩序や粒界が多くなり、その結果、散乱が多くなり、熱伝導率や電気伝導率が低下する。
さらに、原子レベルで完全な薄膜では、界面散乱とフォノンの漏れによって熱伝導率が低下することも予想される。
しかし、この2つのメカニズムは面内輸送と面横断輸送に異なる影響を与えるため、薄膜の輸送特性は通常異方的な挙動を示す。
この効果は、対応する固体材料が等方的な挙動を示す場合でも観察される。

[1] Li, Deyu, et al.
“Thermal conductivity of individual silicon nanowires.”.Applied Physics Letters83.14 (2003): 2934-2936.

[2] Linseis, V., Völklein, F., Reith, H., Nielsch, K., and Woias, P. 2018.
Au and Ti nanofilms, characterised 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.
_Bi87Sb13ナノ薄膜の厚さと温度に依存する熱電特性を新しい測定プラットフォームで測定。Semiconductor Science and Technology.