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Dünnschicht Analyse

Die exakte Kenntnis physikalischer Eigenschaften von Dünnschichten, wird in vielen Industriezweigen und Anwendungen immer wichtiger. Typische beispiele sind sogenannte Phase Change Materials, optische Speichermedien, thermoelektrische Materialien, Leuchtdioden (LEDs), Brennstoffzellen, Phasenänderungsspeichern, Flachbildschirme sowie die Halbleiterindustrie im Allgemeinen.

All diese Branchen verwenden Ein- oder Mehrschichtsysteme, um einem Gerät (bzw. einer Baugruppe) eine bestimmte Funktion zu verleihen. Da sich die physikalischen Eigenschaften von dünnen Schichten signifikant von denen von Vollmaterialien unterscheiden, ist es notwendig ihre dicken- und temperaturabhängigen Eigenschaften mittels geeigneter Messvorrichtungen zu bestimmen. Denn aufgrund von großen Aspektverhältnissen (Schichtdicke zu lateraler Ausdehung) treten häufig zusätzliche Grenz- und Oberflächenstreueffekte auf, welche oftmals zu einem deutlich reduzierten Ladungs- und Wärmetransport führen. Darüberhinaus gibt es eine vielzahl an Abscheidetechnologien zur Erzeugung dünner Schichten, welche ebenfalls großen Einfluss auf die Materialeigenschaften der Dünnschicht habe.

Da sich die Anforderungen zwischen der Charakterisierung einer Dünnschicht und eines Vollmaterials teils deutlich unterscheiden, müssen unterschiedliche Messtechniken für die beiden Bereiche verwendet werden.

Die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit von Dünnschichten sind gewöhnlich kleiner als die der vergleichbaren Vollmaterialien. Zum Beispiel kann die Wärmeleitfähigkeit Lambda eines 20 nm Si-Films oder Nanodrahtes bei Raumtemperatur um einen Faktor fünf kleiner sein [1] als sein massives, einkristallines Gegenstück. Für einen 100 nm dicken Goldfilm konnte darüberhinaus gezeigt werden, dass sich die elektrische und thermische Leitfähigkeit ebenfalls nahezu halbieren [2]. Generell kann man sagen, dass die Transporteigenschaften nicht nur Temperatur, sondern auch stark von der Dicke abhängig sind [3].

Solche Reduktionen der Leitfähigkeiten lassen sich im Allgemeinen auf zwei ursprüngliche Ursachen zurückführen. Einerseits ergeben sich  durch die verwendeten Dünnschicht-Synthesetechnologie oftmals größere Verunreinigungen und Defekte in einer Dünnerschichte, welche zu mehr Unordnung und Korngrenzen innerhalb des Materials führen, was wiederum zu mehr Streuungen und somit reduzierter Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit führt. Darüberhinaus würde man aber auch bei einer atomar perfekten Dünnschicht eine verringte thermische Leitfähigkeit, aufgrund von Grenzflächenstreuung und Phononenleckage, erwarten. Die beiden Mechanismen beeinflussen den In-Plane und den Cross-Plane-Transport allerdings unterschiedlich, so dass die Transporteigenschaften von Dünnschichten üblicherweise anisotropes Verhalten zeigen. Dieser Effekt konnte selbst dann beobachtet werden, wenn das zugehörige Vollmaterial ein isotropes Verhalten aufweist.

[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.

Dünnschicht-Applikationen

Linseis Produkte für die Dünnschichtcharakterisierung

TFA

Linseis TFA
  • Komplette ZT-Charakterisierung an Dünnschichten vom nm bis µmBereich
  • Optionale Messung des Hall-Koeffizienten, der Ladungsträgerdichte und der Mobilität
  • Temperaturbereich -160°C up to +280°C

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TF-LFA

Linseis TF-LFA

Thin Film LaserFlash – Time Domain Thermoreflectance (TDTR) – Temperaturleitfähigkeit von dünnen Schichten

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