Termo-refletância transiente: implementação, modelamento e aplicação a filmes

Abstract

Este trabalho apresenta uma revisão de técnicas para medir propriedades térmicas de lmes, seguida de enfoque na termo-re etância transiente (TTR). Dentre as tecnologias existentes para medir propriedades térmicas, métodos ópticos são preferidos devido à sua natureza não-destrutiva, potencial de alta resolução temporal e espacial e calibração independente de contato físico. A implementação experimental deste método é apresentada, assim como a teoria da linha de transmissão utilizada para tratamento por Transformada de Laplace da equação de Fourier unidimensional do calor. Para facilitar o cálculo de invers ão desta Transformada, uma aproximação numérica, empregando o método Stehfest, foi usada. Experimentalmente, a evolução temporal da temperatura normalizada é mostrada para um lme de Au sobre Si e para lmes de Cu sobre substratos de vidro e Si, assim como foram utilizadas técnicas complementares de caracterização dos lmes (per lometria, elipsometria, microscopia de força atômica, eletrônica de varredura e de transmissão). Para o filme de ouro com espessura de 4:6µm, a teoria apresenta boa concordância com os resultados experimentais, já que o valor encontrado para a condutividade térmica do ouro está entre 230W/m.K e 280W/m.K, próximo e abaixo do valor da condutividade térmica do Au em volume (318W/m.K), indicando a validade do método implementado. Para lmes de cobre, porém, os resultados iniciais não apresentam a mesma concordância, e possíveis causas são discutidas. Futuramente, a TTR implementada poderá ser utilizada para determinação da condutividade térmica de lmes nos dielétricos ou semicondutores, e possivelmente na caracterização da componente transversal em filmes anisotrópicos.

This work presents a review of techniques to measure thermal properties off films, followed by a focused attention to the transient termo-re ectance (TTR). Amongst the existing technologies to measure thermal properties, optical methods are preferred due their nondestructive nature, high potential of spacial and temporal resolution, and independence from physical contact. The experimental implementation of this method is presented, as well as the theory of the transmission line theory used in the Laplace Transform treatment of the Fourier one-dimensional heat conduction equation. To facilitate the calculation of the Transform inversion, a numerical method, using the Stehfest method, was used. Experimentally, evolution of the normalized temperature is shown for a lm of Au on Si and for films of Cu on glass and Si substrates, whereas complementary techniques were used for film characterization (pro lometry, ellipsometry, atomic force microscopy, scanning and transmission eletron microscopy). For the Au film 4:6µm thick, the theory presents good agreement with the experimental results, and the value found for the thermal conductivity of the gold film is between 230W/m.K and 280W/m.K, near and below the bulk Au thermal conductivity (318W/m.K), indicating the validity of the method implementation. For Cu films, however, the initial results do not present the same agreement, and possible causes are discussed. In the future, the implemented TTR could be used for determination of the thermal conductivity of dielectric or semicondutors thin films, and possibly in the characterization of the transversal component in anisotropic films.