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Wrmeleitfhigkeitsmessungen an dnnen Schichten auf Trgersubstraten unter besonderer Bercksichtigung methodischer Aspekte der Messtechnik (entstanden in der Professur Physik dnner Schichten) Computergesttztes Messen Studiengang Sensorik kognitive Psychologie Seminar am 24.10.2011; 07:30 Uhr Thomas Franke

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Wrmeleitfhigkeitsmessungen Motivation Substrate Messmethodik Messergebnisse Vergleich mit frheren Messungen (Dissertation Ralf Schmidt) Schlussfolgerungen

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Wozu Wrmeleitfhigkeitsmessungen? Wie ordnen sich diese in das Gesamtkonzept der Arbeitsgruppe ein? Existiert z. B. ein Skalierungsverhalten? Wie kann ich berhaupt an dnnen Schichten, die nicht frei tragend sind, vernnftig messen?

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Elektrischer Widerstand bei 1,8 e/a am grten Wrmeleitfhigkeit am kleinsten genauere Untersuchungen zeigen, dass Phononenwrmeleitfhigkeit nahezu unbeeindruckt Eindeutiges Skalierungsverhalten

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Substrate ? Wie kann ich definiert eine bestimmte Wrmemenge 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?

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A B 1 mm 1 2 3 strukturierte Si-Substrate Quarzsubstrat Widerstandsschicht Au-Kontakte Anordnung der Substrate Gesamtflche 15 mm x 15 mm Abstand vom Wolframbndchen 11 cm Raumwinkel ca. 1.5 msr gleiche Eigenschaften auf allen Substraten Al AuGe 2080

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Wrmeleitfhigkeitsmessungen

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

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

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Berechtigte Frage bezglich der Substrate: Gelingt eine Minimierung der Messzeit durch Messung nur eines Substrates jeder Art mit anschlieender Verallgemeinerung auf alle Substrate? Mssten innerhalb eines Wafers nicht wirklich alle Substrate gleich sein hinsichtlich der Wrmeleitfhigkeit?

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

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Probenbersicht Au 20 Ge 80 als erster Versuch, amorphe HL zu messen Datensatz zum Spielen und Austesten des Auswerte- programmes fr Wrmeleit- fhigkeits- messungen Cu 50 Sn 50 zum Beurteilen der Reproduzier- barkeit (2 unabhngige Messungen) Cu 70 Sn 30 Cu 73 Sn 27 ---> 1,8 e/a

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a - Au 20 Ge 80 These: In amorphen HL msste ein vorhandenes Plateau, wie es von Dielektrika bekannt ist, wesentlich deutlicher ausgeprgt sein als in elektronischen Systemen berprfung eines Auswertepro- grammes am Beispiel einer 13...18 spaltigen und ca. 1000 zeiligen Matrix, die den Messdatensatz enthlt

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Fazit: Die aufgedampfte Au 20 Ge 80 -Schicht ist viel zu dnn angesichts der schlechten Wlfhgk. Amorpher Metalle mssen dickere Schichten aufgedampft werden also grere Einwaagen (ca. 500 mg!) Die Frage nach dem Plateau bleibt !? Supraleitung ab 1,61... 1,62 K

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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 Nhe von 1,8 e/a Cu 73 Sn 27 genau bei 1,8 e/a

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

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Kritik: Auswerteprogramm muss noch erheblich verbessert werden dazu sind aber nun Spezialkenntnisse in numerischer Mathematik ntig denn die Auswerteroutine selbst luft fr jeden Datensatz

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

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

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

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2. Beispiel: Cu 50 Sn 50 System mit hherer Elektronenleitfhigkeit

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