FDTR - Termorreflexão na gama de frequências
Compreender a termoreflectância no domínio da frequência (FDTR) para a caraterização de películas finas
O estudo das propriedades termofísicas e a otimização da transferência de calor tornaram-se essenciais para as aplicações industriais modernas. Ao longo dos anos, foram desenvolvidos vários métodos para avaliar as propriedades térmicas dos materiais, com o método flash a emergir como uma das técnicas mais comuns. No entanto, como a indústria depende cada vez mais de películas finas para aplicações especializadas, o método flash a laser está a atingir rapidamente os seus limites.
No entanto, a nossa técnica de aquecimento periódico por laser é aqui utilizada. Mas como as películas se tornam cada vez mais finas e um método de algoritmo multicamada já não é suficiente para películas finas com espessura de nm, são utilizados métodos mais sofisticados como a termoreflectância no domínio da frequência (FDTR) para satisfazer a procura de uma caraterização térmica precisa.
A importância crescente das películas finas
As películas finas, que têm uma espessura entre alguns nanómetros (nm) e micrómetros (μm), desempenham um papel crucial em indústrias como o fabrico de semicondutores, a tecnologia LED e os materiais termoeléctricos. Estas camadas são normalmente aplicadas a um substrato para obter determinadas funcionalidades. Como as suas propriedades térmicas diferem significativamente das dos materiais a granel, uma gestão térmica precisa requer dados precisos sobre as suas propriedades termofísicas, como a condutividade térmica, a difusividade térmica e a condutividade da interface térmica.
O que é a termoreflectância no domínio da frequência (FDTR)?
A Termorreflectância no Domínio da Frequência (FDTR) é uma técnica avançada, sem contacto, para medir as propriedades térmicas de películas finas no domínio da frequência. É particularmente útil para caraterizar materiais com comportamento térmico complexo, como os utilizados em microeletrónica, semicondutores e revestimentos de barreira térmica. O FDTR utiliza o efeito de termorreflectância, em que a refletividade de um material se altera com uma mudança na temperatura da superfície. Esta alteração na refletividade é monitorizada para derivar propriedades térmicas, como a condutividade térmica e a difusividade térmica.
A FDTR é uma técnica sem contacto para caraterizar as propriedades térmicas de películas finas na gama de frequências. O princípio básico do FDTR baseia-se no efeito de termorreflectância, que permite aos investigadores reconhecer as alterações na refletividade de um material quando este é aquecido. Neste método, são utilizados dois lasers: um laser de bomba que aquece o material e um laser de sonda que monitoriza a temperatura da superfície medindo as alterações de refletividade.
O conceito central do FDTR é a modulação da temperatura da superfície de um material com um laser harmonicamente modulado (a bomba) e a deteção da resposta térmica com um segundo laser (a sonda). Este processo é realizado sem contacto físico, o que o torna ideal para amostras frágeis ou sensíveis. A excitação térmica da amostra e a subsequente medição da sua resposta superficial são efectuadas no domínio da frequência, com a análise a centrar-se no atraso temporal ou, mais precisamente, no atraso de fase entre o aquecimento periódico e a resposta térmica do material.
As fontes de luz são a:
- Laser de bombagem: Trata-se de um laser de onda contínua, frequentemente com um comprimento de onda de cerca de 405 nm, que é utilizado para aquecer a amostra. A intensidade do laser de bomba é modulada sinusoidalmente em diferentes frequências, de modo a obter um aquecimento periódico do material. Ao ajustar a frequência de modulação, podem ser investigados diferentes comprimentos de transporte de calor, para que os investigadores possam analisar a difusão de calor a diferentes profundidades no material.
- Laser de sonda: O laser de sonda, normalmente a 532 nm, monitoriza a temperatura da superfície da amostra medindo as alterações na refletividade que ocorrem devido ao aquecimento provocado pelo laser de bomba. Esta alteração na refletividade está diretamente relacionada com a temperatura da amostra, uma vez que os materiais têm geralmente uma refletividade dependente da temperatura. O sinal do laser de sonda é cuidadosamente analisado para medir a mudança de fase entre a excitação térmica do laser de bomba e a mudança de refletividade, que é detectada com um amplificador lock-in.
Amplificador Lock-in e medição de fase
O amplificador lock-in desempenha um papel decisivo no FDTR. Extrai a informação de fase entre o ciclo de aquecimento do laser de bomba e o sinal de reflexão do laser de sonda.
Ao medir este atraso de fase, ou seja, o atraso entre o aquecimento da amostra e a alteração da refletividade, os investigadores podem obter informações precisas sobre a forma como o calor se espalha no material.
O atraso de fase depende das propriedades térmicas do material e varia com a frequência de modulação do laser de bomba, o que faz do FDTR um método no domínio da frequência.
O papel do transdutor metálico
Para aumentar a sensibilidade da medição, é aplicada uma fina camada metálica de transdutor, normalmente feita de ouro ou alumínio, à superfície da amostra. Esta camada tem dois objectivos principais:
- Maior sensibilidade à temperatura: Metais como o ouro têm um elevado coeficiente de reflexão à temperatura (dR/dT), ou seja, a sua refletividade muda significativamente com a temperatura. Isto amplifica o sinal reconhecível e melhora a precisão da medição térmica.
- Controlo da profundidade de penetração ótica: A camada transdutora limita a profundidade de penetração ótica do laser no material, assegurando que a alteração da refletividade é medida predominantemente à superfície. Isto torna os dados mais representativos das propriedades térmicas de películas finas ou de camadas próximas da superfície, por oposição a regiões mais profundas do material.
Dependência de frequência e extração de propriedades térmicas
Ao variar a frequência de modulação do laser de bomba, o FDTR pode investigar diferentes regimes de transporte de calor. Em altas freqüências, o comprimento de difusão térmica é curto, de modo que o transporte de calor medido é limitado à vizinhança da superfície da amostra.
A baixas frequências, o calor difunde-se mais profundamente no material, permitindo uma análise mais abrangente das propriedades térmicas do material. Ao adaptar os dados de atraso de fase a modelos térmicos, é possível analisar parâmetros como:
Onde:
- μ é a profundidade de penetração térmica
- α é a difusividade térmica do material
- ω é a frequência de modulação do laser de bomba.
– Condutividade térmica: A capacidade de condução de calor do material.
– Difusividade térmica: A rapidez com que o calor se propaga através do material.
– Condutividade térmica da interface: A resistência térmica na interface entre diferentes camadas ou materiais.
Profundidade de penetração térmica da amostra inteira
Vista detalhada da profundidade de penetração térmica na superfície
Vantagens do FDTR em comparação com a termoreflectância no domínio do tempo (TDTR)
Embora a Termorreflectância no Domínio do Tempo (TDTR) tenha princípios semelhantes aos da FDTR (ambas as experiências de laser de sonda de bomba, podem fornecer os mesmos resultados, etc.), a FDTR oferece várias vantagens que a tornam o método superior para muitas aplicações:
- Configuração simplificada da amostra: Com o TDTR, os lasers da bomba e da sonda não estão inicialmente alinhados em conjunto, exigindo ajustes constantes para ter em conta as alterações na reflectância da amostra. Em contraste, com o nosso sistema FDTR, ambos os lasers estão perfeitamente alinhados, eliminando a necessidade de ajustes frequentes e simplificando a configuração da amostra e melhorando a facilidade de utilização.
- Medições estáveis: Com o TDTR, ligeiras alterações na reflectância à medida que a amostra muda requerem a recalibração do laser da sonda, o que pode complicar o processo. O FDTR evita este problema e fornece dados consistentes e fiáveis sem a necessidade de uma afinação constante. A estabilidade do processo de medição é melhorada pelo facto de os lasers permanecerem alinhados com o FDTR. Isto reduz a probabilidade de erros causados por pequenos desvios no posicionamento do laser ou no alinhamento da amostra.
- Gama de medição mais ampla: O nosso FDTR ultrapassa até os dispositivos TDTR nano-pulsados com uma gama de medição mais ampla. Podem ser medidas camadas de amostras mais finas e películas finas com maior condutividade térmica.
- Não precisas de fazer quaisquer suposições: O nosso algoritmo de avaliação abrangente permite-te medir camadas finas sem quaisquer pressupostos. Tudo o que precisas de saber é a espessura da amostra.
Aplicações do FDTR
Em geral, a condutividade térmica das películas finas oferece uma vasta gama de aplicações em muitos domínios, e a investigação em curso nesta área é crucial para o desenvolvimento de materiais e dispositivos novos e melhorados para várias aplicações. Estas incluem semicondutores, dispositivos termoeléctricos, microeletrónica, conversão e armazenamento de energia, aeroespacial, dispositivos biomédicos ou revestimentos ópticos.
- Indústria de semicondutores: Durante o processo de fabrico, é gerado calor em várias fases da produção e é importante dissipar este calor para evitar danos nos dispositivos fabricados. Materiais com elevada condutividade térmica, como o silício e o diamante, são utilizados em várias fases do processo de fabrico para dissipar o calor e manter a qualidade dos dispositivos.
- Dispositivos termoeléctricos: A condutividade térmica do material com baixa condutividade é um fator decisivo para a eficiência dos dispositivos termoeléctricos. Isto porque um material com baixa condutividade térmica reduz a quantidade de calor transferido através do dispositivo, o que aumenta a diferença de temperatura e melhora a eficiência do dispositivo. Por outro lado, um material com elevada condutividade térmica conduziria mais calor através do dispositivo, o que reduziria a diferença de temperatura e reduziria a eficiência do dispositivo. Além disso, a condutividade térmica dos materiais termoeléctricos também afecta a temperatura máxima de funcionamento do dispositivo. Uma condutividade térmica elevada pode fazer com que os materiais aqueçam rapidamente, o que pode levar à fuga térmica e à falha do dispositivo.
- Microeletrónica: A condutividade térmica das películas finas é importante para melhorar a gestão térmica dos dispositivos microelectrónicos. Nesta área, as películas finas são utilizadas como dispersores de calor e materiais de interface térmica para ajudar a dissipar o calor dos pontos quentes de um microchip.
- Conversão e armazenamento de energia: As películas finas são utilizadas em vários dispositivos de conversão e armazenamento de energia, incluindo células solares, geradores termoeléctricos e baterias. Nestas aplicações, a condutividade térmica das películas finas afecta a eficiência do dispositivo.
- Aeroespacial: A condutividade térmica das películas finas é fundamental na indústria aeroespacial, onde é necessária uma gestão térmica leve e eficiente. Os revestimentos de película fina são utilizados em componentes de naves espaciais, como escudos térmicos e isolamento térmico.
- Optoelectrónica: A optoelectrónica é um ramo da eletrónica que se ocupa do estudo da interação entre a luz e os dispositivos electrónicos. Envolve a utilização de materiais semicondutores para converter a luz em sinais eléctricos ou vice-versa. Os dispositivos optoelectrónicos incluem díodos emissores de luz (LED), fotodíodos, células solares e optoacopladores. Os LEDs são dispositivos semicondutores que emitem luz quando a corrente flui através deles, enquanto os fotodíodos são dispositivos semicondutores que geram uma corrente eléctrica quando a luz é aplicada. As células solares são dispositivos optoelectrónicos que convertem a luz solar em energia eléctrica. Os optoacopladores são utilizados para transmitir sinais entre circuitos que estão eletricamente isolados uns dos outros.
Exemplo de aplicação: diamante CVD – condutividade térmica
Medição das propriedades térmicas do diamante CVD. O eixo x mostra a frequência em escala logarítmica em Hertz, enquanto o eixo y mostra a mudança de fase entre a excitação pelo laser de bomba e o laser de sonda. Em que 𝝀 é a condutividade térmica, 𝜶 é a difusividade térmica, e é o coeficiente de transferência de calor e TBC é a condutância térmica de fronteira entre a camada do transdutor (ouro) e a amostra (diamante). Determina a capacidade de uma combinação de materiais para trocar calor entre si.
Conclusão
Como a procura de películas finas de alto desempenho continua a crescer em várias indústrias, o FDTR estabeleceu-se como o método líder para caraterizar com precisão as suas propriedades térmicas. O método sem contacto, a configuração simples e a estabilidade superior fazem dele a escolha preferida em relação aos métodos tradicionais, como o TDTR. Ao utilizar sistemas laser avançados e os princípios de termorreflectância, o FDTR permite medições térmicas precisas que são fundamentais para o desenvolvimento de tecnologias de ponta. Num mundo em que as previsões térmicas exactas podem fazer ou quebrar o desempenho de materiais avançados, o FDTR fornece as informações necessárias para fazer avançar as aplicações industriais.
A natureza não destrutiva do FDTR, a sua elevada sensibilidade e a capacidade de operar numa vasta gama fazem dele uma ferramenta poderosa no domínio da metrologia térmica. Permite uma compreensão detalhada do fluxo de calor através dos materiais, o que é crucial para otimizar a gestão térmica em várias indústrias, como a eletrónica, a energia e a ciência dos materiais.