Termorreflectância no domínio do tempo (TDTR)
Termorreflectância no domínio do tempo (TDTR)
Durante a última década, a TDTR – Tecnologia de Medição de Termorreflectância no Domínio do Tempo desenvolveu-se como uma ferramenta poderosa e universalmente aplicável para medir as propriedades de transporte térmico de revestimentos e películas finas. A técnica de medição pode ser aplicada a uma ampla gama de amostras, tanto em termos de propriedades de transporte térmico quanto de geometria da amostra. Além disso, também é possível o varrimento lateral das amostras, o que permite a medição da condutividade térmica em função da posição. Através da focalização dos pontos de laser na superfície da amostra e de uma elevada relação sinal/ruído da medição, também é possível obter taxas de produção elevadas para séries de medição maiores.
As aplicações típicas das configurações de medição TDTR são medições de condutividade térmica em camadas finas ou materiais sólidos revestidos.
Configuração de teste para medições de difusão de calor TDTR com fonte de laser de bomba e sonda
Como o TDTR é um método ótico, sem contacto, também é possível medir amostras em criostatos com uma porta ótica, em microscópios de alta temperatura ou num ambiente de alta pressão.
Uma caraterística especial desta técnica de medição é o facto de ser necessário depositar uma película metálica na superfície da amostra a analisar. Esta película de metal serve de transdutor ótico, uma vez que a alteração da refletividade desta camada de metal pode ser utilizada para inferir a alteração da temperatura. Para a medição, é utilizado um laser primário forte (laser de bombagem) para aquecer localmente um ponto na superfície da amostra e o aquecimento deste ponto, devido às alterações na refletividade da película metálica, é lido utilizando um segundo laser (laser de sonda).
A análise dos dados é então efectuada utilizando uma solução analítica da equação de condução de calor em coordenadas cilíndricas. A determinação das propriedades de transporte de calor das camadas envolvidas é normalmente efectuada através do ajuste dos parâmetros livres, minimizando o desvio entre a resposta térmica prevista pelo modelo e a resposta térmica da amostra medida na experiência. Os parâmetros livres são as propriedades desconhecidas de transferência de calor, por exemplo, a condutividade térmica, da amostra.
Ao utilizar o TDTR na prática diária, é necessário que a superfície da amostra seja tão lisa quanto possível, de modo a evitar a dispersão difusa indesejada da luz laser e, consequentemente, a interferência na medição.
O TDTR é utilizado principalmente para medir a condutividade térmica na direção da espessura, ou seja, perpendicular à superfície. Para materiais termicamente anisotrópicos, tais como estruturas de super-rede, películas policristalinas texturizadas ou cristais anisotrópicos, em que o conhecimento da condutividade térmica no plano também deve ser medido, o transporte de calor no plano também pode ser medido utilizando as chamadas abordagens de desalinhamento. No entanto, a precisão da medição é reduzida.
Os lasers ND:YAG ou Ti:safira são normalmente utilizados como “lasers de bomba” para as configurações TDTR. O laser gera um impulso ótico para aquecer localmente a camada metálica (também conhecida como transdutor) e, consequentemente, a camada de amostra subjacente. Para ler o sinal de temperatura, é utilizado um laser de onda contínua (laser CW) como laser de sonda para registar o aumento de temperatura local. Dependendo do material utilizado para o transdutor (por exemplo, Au, Al ou Pt), o comprimento de onda do laser de sonda deve ser selecionado (~473 nm a 532 nm ou 785 nm a 808 nm).
O termo “termorreflectividade” refere-se ao facto de a refletividade “R” de uma película metálica depender da sua temperatura “T”. Isto resulta no coeficiente de termorreflectância específico do material G = dR/dT. Quanto maior for este coeficiente, mais sensível é a camada transdutora e mais exacta pode ser a sua medição.
Dados em bruto da medição da difusividade térmica de duas películas finas de SiO2 com diferentes espessuras, medidas com o Linseis TF-LFA
Que propriedades são determinadas?
O TDTR é utilizado para caraterizar as propriedades de transporte térmico de materiais, principalmente películas finas e revestimentos, e para estudar interfaces térmicas. Tem sido aplicado em toda a gama de condutividade térmica, desde o diamante e metais com elevada condutividade térmica até à condutividade térmica ultra-baixa dos derivados de fulerenos. Essencialmente, o mesmo método pode ser aplicado a materiais a granel, películas finas e interfaces individuais.