Wärmeleitfähigkeitsmessungen an dünnen Schichten auf Trägersubstraten unter besonderer Berücksichtigung methodischer Aspekte der Messtechnik (entstanden in der Professur Physik dünner Schichten) Computergestütztes Messen Studiengang Sensorik – kognitive Psychologie Seminar am ; 07:30 Uhr Thomas Franke

Wärmeleitfähigkeitsmessungen Motivation Substrate Messmethodik Messergebnisse Vergleich mit früheren Messungen (Dissertation Ralf Schmidt) Schlussfolgerungen

Wozu Wärmeleitfähigkeitsmessungen? Wie ordnen sich diese in das Gesamtkonzept der Arbeitsgruppe ein? Existiert z. B. ein Skalierungsverhalten? Wie kann ich überhaupt an dünnen Schichten, die nicht frei tragend sind, vernünftig messen?

Elektrischer Widerstand bei 1,8 e/a am größten Wärmeleitfähigkeit am kleinsten genauere Untersuchungen zeigen, dass Phononenwärmeleitfähigkeit nahezu unbeeindruckt Eindeutiges Skalierungsverhalten

Substrate ? Wie kann ich definiert eine bestimmte Wärmemenge Q in die Probe einspeisen? Gelingt es, den gesamten Temperatur- bereich zwischen 1,2 K und 350 K zu erfassen? Worin besteht das grundlegende Messprinzip?

A B 1 mm strukturierte Si-Substrate Quarzsubstrat Widerstandsschicht Au-Kontakte Anordnung der Substrate Gesamtfläche 15 mm x 15 mm Abstand vom Wolframbändchen 11 cm Raumwinkel ca. 1.5 msr gleiche Eigenschaften auf allen Substraten Al AuGe 2080

Wärmeleitfähigkeitsmessungen

Messgrößen (Messprogramm) Spannungen U-low und U-high festgelegter Bolometerstrom I (Spannungsabfall über R-Präzission) damit R-low, R-high, P-low, P-high als Funktion der Temperatur T ---> R(T) Geometrie

Parallelschaltung zweier Wärmewiderstände Bruttomessung - Taramessung = Nettoergebnis ( d) Schicht+Substrat - ( d) Substrat = ( d) Film/Schicht Problem hierbei ist ein ausreichendes Messsignal ---> dünne Substrate ---> der Schicht muss deutlich größer sein im Vergleich zum Substrat ---> Aufdampfen genügend dicker Filme

Berechtigte Frage bezüglich der Substrate: Gelingt eine Minimierung der Messzeit durch Messung nur eines Substrates jeder Art mit anschließender Verallgemeinerung auf alle Substrate? Müssten innerhalb eines Wafers nicht wirklich alle Substrate gleich sein hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit?

Fazit: Die Unterschiede zwischen den einzelnen Substraten sind insbesondere für Au 20 Ge 80 so groß, dass die beabsichtigte Messzeiteinsparung in keinem ausreichenden Verhältnis zur Genauigkeit der Messungen steht also muss für jede Probe der Untergrund vor dem Aufdampfen bestimmt werden !!

Probenübersicht Au 20 Ge 80 als erster Versuch, amorphe HL zu messen Datensatz zum Spielen und Austesten des Auswerte- programmes für Wärmeleit- fähigkeits- messungen Cu 50 Sn 50 zum Beurteilen der Reproduzier- barkeit (2 unabhängige Messungen) Cu 70 Sn 30 Cu 73 Sn > 1,8 e/a

a - Au 20 Ge 80 These: In amorphen HL müsste ein vorhandenes Plateau, wie es von Dielektrika bekannt ist, wesentlich deutlicher ausgeprägt sein als in elektronischen Systemen Überprüfung eines Auswertepro- grammes am Beispiel einer spaltigen und ca zeiligen Matrix, die den Messdatensatz enthält

Fazit: Die aufgedampfte Au 20 Ge 80 -Schicht ist viel zu dünn angesichts der schlechten Wlfhgk. Amorpher Metalle müssen dickere Schichten aufgedampft werden also größere Einwaagen (ca. 500 mg!) Die Frage nach dem Plateau bleibt !? Supraleitung ab 1, ,62 K

Reproduzierbarkeit am Beispiel amorpher Cu x Sn 1-x -Schichten Erster Versuch zum Kennenlernen von Apparatur und Messroutine: Cu 75 Sn 25 dann systematische Untersuchung von Cu 50 Sn 50 im Vergleich zu Schmidt Cu 70 Sn 30 in der Nähe von 1,8 e/a Cu 73 Sn 27 genau bei 1,8 e/a

1,8 e / a oder Cu 73 Sn 27 Plateau oder nicht ?!

Kritik: Auswerteprogramm muss noch erheblich verbessert werden dazu sind aber nun Spezialkenntnisse in numerischer Mathematik nötig denn die Auswerteroutine selbst läuft für jeden Datensatz

Noch einmal auf einen Blick: Messbares Signal mit nur ca. 120 nm Schichtdicke Auflösbare Phononenwärmeleitfähigkeit Elektronenanteil deutlich kleiner als Phononenbeitrag wenn ein Plateau da ist, muss es auch sichtbar sein weitere Untersuchungen an phononischen Systemen Messmethodik selbst funktioniert

Genauigkeit und Reproduzierbarkeit Vergleich mit den Messungen von Ralf Schmidt (1998)

1. Beispiel: Cu 70 Sn 30 System mit reduzierter Elektronenleitfähigkeit

2. Beispiel: Cu 50 Sn 50 System mit höherer Elektronenleitfähigkeit

Schlussfolgerungen / Konsequenzen Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Messungen nachgewiesen Auf Temperatur des Bändchens beim Aufdampfen achten Einwaage im Hinblick auf nötige Schichtdicke kontrollieren Plateausuche zunächst im Dielektrikum bzw. amorphen Halbleiter