Учёные НИЦ "Курчатовский институт" усовершенствовали систему измерения теплопроводности тонких плёнок, которые используются в электронике для отвода избыточного тепла. Новая установка позволяет в автоматизированном режиме измерять теплопроводность плёнок толщиной от 100 нанометров в широком диапазоне температур. Разработка поможет специалистам создавать плёнки с большей теплопроводностью и тем самым продлевать срок службы техники, например, смартфонов. Исследование опубликовано в журнале Review of Scientific Instruments.
При проектировании и создании электронных устройств очень важно найти эффективный метод теплоотвода и распределения тепла. Для этого необходимо знать тепловые свойства материалов. Известно, что перегрев элементов резко сокращает срок службы техники, эффективность солнечных батарей или полупроводниковых преобразователей. Да и мало кому приятно держать в руках "раскаленный" смартфон или на коленях горячий компьютер. Поэтому учёные ищут точные и физически объективные методики измерений коэффициента теплопроводности.
На сегодняшний день известны хорошо отработанные методики измерения коэффициента теплопроводности тел, размеры которых имеют макроскопический масштаб (речь идёт о твёрдых телах), а также жидкостей и газов. Хуже обстоит дело с тонкоплёночными материалами (толщиной менее 1 микрометра), которые очень активно используются в современной микро- и нано- электронике. Однако именно тонкие пленки являются основой современной электроники: телевизоры и дисплеи, компьютеры, процессоры, солнечные батареи, современные аккумуляторы и преобразователи (блоки питания) включают в себя огромное количество различных защитных и функциональных покрытий. При этом достоверно измерить коэффициент теплопроводности в тонких плёнках до сих пор очень трудно.
Одним из современных способов измерения теплопроводности является так называемый "3-омега" метод, предложенный американским исследователем Дэвидом Кэхиллом в 1989 году. Технология позволяет измерять теплопроводность объёмных материалов, но особенно она востребована для измерения тонких плёнок.
"С помощью этого метода можно измерять теплопроводность массивных материалов толщиной в несколько сантиметров, а также тонких нанометровых плёнок в широком диапазоне температур (от 50 до 900 градусов Кельвина (от -223 до + 627°C)). Отличительная особенность этого метода заключается в том, что он позволяет получать достаточно точные значения теплопроводности материалов при высоких температурах, в то время как другие методы дают не столь точные результаты", — сообщил автор исследования, ведущий научный сотрудник НИЦ "Курчатовский институт", кандидат физико-математических наук Александр Инюшкин.
Учёные НИЦ "Курчатовский институт" развили и усовершенствовали методику, автоматизировав её и сделав более удобной в использовании. Созданная установка позволила повысить точность и скорость измерений в широком температурном диапазоне без подстройки и необходимости в дополнительных устройствах.
Новую технологию специалисты успешно опробовали на образце из синтетического монокристаллического корунда (сапфира) толщиной 0,42 мм при температурах 290—330 градусов Кельвина. Получившееся значение теплопроводности согласовывалось с данными, полученными в ходе предыдущих экспериментов с этим материалом, когда учёные использовали другие методы, что подтвердило точность разработанного метода.
Учёные добавили, что подложки синтетического сапфира активно используются при производстве светодиодов (около 78% производимого в мире объема на 2015 год), защитные стёкла для камер смартфонов (около 13%), дисплеев "умных часов" (7%). Россия занимает примерно 1/5 долю мирового рынка производства синтетического сапфира.
"Важной особенностью методики является возможность достоверного измерения теплопроводности тонких пленок, свойства которых могут значительно отличаться от свойств объёмного материала и сильно зависят как от состава, так и от метода их производства. Таким образом, методика "3-омега" востребована при разработке новой компонентной базы микроэлектроники", — начальник отдела прикладных наноэлектронных структур Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий Максим Занавескин.
Разработка учёных НИЦ "Курчатовский институт" поможет создавать плёнки с большей теплопроводностью и тем самым продлевать срок службы техники.
По словам Александра Инюшкина, предложенный исследователи метод также поддаётся модификации. В таком случае его можно использовать для измерения теплопроводности биологических тканей, материалов для термоядерного синтеза и термоэлектрических преобразователей.
Российский научный центр "Курчатовский институт" был образован Указом Президента России в ноябре 1991 года на базе созданного в 1943 г. Института атомной энергии им. И.В.Курчатова (в то время Лаборатории N 2 Академии наук СССР) и стал первым государственным национальным научным Центром России. Центр подчинен непосредственно Правительству России и не входит в состав Российской Академии наук и отраслевых министерств.