Métrologie Thermique Couches Minces : Méthode 3w. Stefan Dilhaire Groupe de Photothermique des Microsystèmes et Nanomatériaux

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Gabriel Bellefleur
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1 Métrologie Thermique Couches Minces : Méthode 3w Stefan Dilhaire Groupe de Photothermique des Microsystèmes et Nanomatériaux

2 Matériaux massifs

3 Schéma de principe

4 Modèle Solution exacte pour une ligne source infiniment fine infiniment longue (Carslaw et Jeager) P : puissance (W) w : pulsation l : longueur de la ligne k : conductivité thermique K0 : fonction de Bessel modifiée d ordre zéro q est le vecteur d onde complexe, a la diffusivité thermique si qr<<1 alors la fonction de Bessel peut s écrire :

5 Mesure

6 Identification Etalonnage en étuve Mesure V is the voltage across the line at frequency ω, V3ω,1 is the voltage across the line at frequency ω1 V3ω,2 is the voltage across the line at frequency ω2.

7 Application aux Couches Minces

8 Film sur substrat Schematic diagram for the 3ω method to measure thermal conductivity of thin films. The heater line is wide compared the film thickness such that heat flow through the film is one-dimensional and the thermal conductivity in the direction normal to the layer is measured.

9 Réponse d un film sur substrat

10 cas d un substrat électriquement isolant cas d un substrat électriquement conducteur P is the power dissipated by the heater l is the length of the metal heater/thermometer line k is the thermal conductivity C is the specific heat per unit volume w is the width of the metal line. Lee, S.-M., and Cahill, D. G., Heat transport in this dielectric films, Journal of Applied Physics, Vol. 81 (6), pp , 1997.

11 Détermination de la conductivité thermique (cas du comportement 1D) t is the thickness of the film The measured thermal conductivity of the film includes the thermal boundary resistance between the substrate and the film as well as the boundary resistance between the film and the metal heater. Strictly speaking kfilm is not simply an intrinsic material property, but it depends on the interfaces, and for this reason, it is sometimes referred to as an apparent or effective thermal conductivity

12 Méthode expérimentale

13 Réalisation de la structure de test

14 Encapsulation

Banc de mesure Schematic diagram of the experimental setup for the 3ω method. The lock-in amplifier outputs a voltage modulated with angular frequency ω.

15 Banc de mesure Schematic diagram of the experimental setup for the 3ω method. The lock-in amplifier outputs a voltage modulated with angular frequency ω. The voltage across the heater/thermometer line is measured using the A input on the lock-in after it is passed through a unity gain differential amplifier. The voltage across a reference resistor (potentiometer) is measured using the B input on the lock-in after it is passed through a unity gain differential amplifier and a multiplying digital to analog converter (DAC). The entire experiment is automated through the use of a PC that controls the lock-in amplifier, the DAC, and the cryostat (not shown)

16 Mesures cryogéniques

17 Méthode 3w avec un SThM

18 Microscopie Thermique à Balayage Pointe chaude (3 oméga) Pointe froide

19 Banc de Mesures

20 Modélisation Rayonnement Constriction Sonde Conduction dans l air Solide-Solide Echantillon Ménisque d eau ( 1 ) V ch( qt L) & 1 2 C ( ) + 2 Z ( ) Th H SThM! = = E" # éch q T L sh q T L $ r % T q T Th ch q T L ' ) ( * Interaction between Sample and tip ~20mV/K

21 Imagerie

22 Métrologie Thermique de Couches Minces : Méthode Photothermique Femtoseconde Stefan Dilhaire Groupe de Photothermique des Microsystèmes et Nanomatériaux

23 Principe

24 Métrologie thermique aux temps courts Temps de vols acoustique et thermique 1ks 1s 1ms tth=20min 1µs 1ns 1ps 1fs 0,1nm 1nm 1µm 1mm 1m Dimensions caractéristiques (R) D= m 2 /s vs=8nm/ps

25 Métrologie Thermique et loi de Fourier Faisceau laser e - Aluminium Réseau du film d Al

Métrologie Thermique et loi de Fourier 450

Domaine de validité du modèle de Fourier 50

26 Métrologie Thermique et loi de Fourier T e -T l Domaine de validité du modèle de Fourier ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Temps ps

27 Approche expérimentale: Stroboscopie picoseconde Ligne à retard 2 Sources Laser

28 Artefacts liés à la LAR 30 cm Variation de diamètre du faisceau sonde D L 20% pour 2ns Variation de pointé du faisceau sonde Vibrations mécaniques pompe TR = 13 ns 2 m

29 Echantillonnage optique hétérodyne

30 Echantillonnage optique hétérodyne

31 Echantillonnage optique hétérodyne

32 Echantillonnage optique hétérodyne

33 Echantillonnage optique hétérodyne

34 Température et Réflectivité

35 Température et Réflectivité

36 Température et Réflectivité

37 Température et Réflectivité

38 Température et Réflectivité

39 Température et Réflectivité

40 Température et Réflectivité

41 Température et Réflectivité

42 Température et Réflectivité

43 Banc de mesure Deux sources laser Asservissement de fréquence Synchronisation Détecteur grande bande passante

44 Réponse d un matériau composite

45 $)3%4-#$13#(%4*+514)*3%1$6)*)7,"$(/)4#8&) -./"+&$(%$ -.%&#*#&'( /'3/$ )*#"+&*, 445$%#,+$66 7'(8$!"#$%#&'( 0&1(*2 )'8"2&7*#&'( 9+'%"8,+$: 86&8$(#&=&%*#&'( -.%&#*#&'( -;,*#&'(: 8$:2*: %<*2$,+ )*#"+&*,!"#$%#&'( 0&1(*2!"#$%&%'()*+)*,$%,$("#"-*#.)$/(01)-2!"#"$%&#'(- './0#*$'1&",.!"#"$%&#'( &)'#$*+,'(!"#"$%&#'( 2/&*+,'(

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Conductivités de la littérature* (W/m/K) 70 90-130 2,8 1,2-1,5 Résistances

62 !"#$%$&'#$()*+,&*"'-'%.#-,& /0&12#'# +3("#$%$&'#$() Conductivités identifiées (W/m/K) Conductivités de la littérature* (W/m/K) ,8 1,2-1,5 Résistances identifiées (K/W/m 2 ) Chaleur massique identifiée (J/Kg/K) 6e-9 8e-9 Chaleur massique de la littérature* (J/Kg/K) !"#$%&'#()*+#,,'-,

63 !"#$%$&'#$()*+,&*"'-'%.#-,& /0&12#'# +3("#$%$&'#$() Conductivités identifiées (W/m/K) Conductivités de la littérature* (W/m/K) !"#$%&'%("&)"*+"!"#$%&"'(%)*",-+"./01.23/445"66"7890:";"

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