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Computergestütztes Messen Studiengang „Sensorik – kognitive Psychologie“

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“

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Computergestütztes Messen Studiengang „Sensorik – kognitive Psychologie“

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Presentation Transcript

  1. 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 24.10.2011; 07:30 Uhr Thomas Franke

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

  3. 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?

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

  5. 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?

  6. Anordnung der Substrate B A 3 AuGe 2 0 8 0 strukturierte Al Si-Substrate 2 1 mm Quarzsubstrat Widerstandsschicht 1 Au-Kontakte Gesamtfläche 15 mm x 15 mm F F Abstand vom Wolframbändchen 11 cm F Raumwinkel ca. 1.5 msr J gleiche Eigenschaften auf allen Substraten

  7. Wärmeleitfähigkeitsmessungen

  8. 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

  9. 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

  10. 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?

  11. Fazit: • Die Unterschiede zwischen den einzelnen Substraten sind insbesondere für Au20Ge80 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 !!

  12. Au20Ge80 als erster Versuch, amorphe HL zu messen Datensatz zum „Spielen“ und Austesten des Auswerte-programmes für Wärmeleit-fähigkeits-messungen Cu50Sn50 zum Beurteilen der Reproduzier-barkeit (2 unabhängige Messungen) Cu70Sn30 Cu73Sn27 ---> 1,8 e/a Probenübersicht

  13. 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 13...18 spaltigen und ca. 1000 zeiligen Matrix, die den Messdatensatz enthält a - Au20Ge80

  14. Fazit: • Die aufgedampfte Au20Ge80-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 1,61 ... 1,62 K

  15. Reproduzierbarkeit am Beispiel amorpher CuxSn1-x-Schichten • Erster Versuch zum „Kennenlernen“ von Apparatur und Messroutine: Cu75Sn25 • dann systematische Untersuchung von Cu50Sn50 im Vergleich zu Schmidt • Cu70Sn30 in der Nähe von 1,8 e/a • Cu73Sn27 „genau“ bei 1,8 e/a

  16. 1,8 e / a oder Cu73Sn27 Plateau oder nicht ?!

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

  18. 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

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

  20. 1. Beispiel: Cu70Sn30 System mit reduzierter Elektronenleitfähigkeit

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