Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Beschichtungen mit wenigen Nanometern bis wenigen Mikrometern Dicke ist eine messtechnisch anspruchsvolle Aufgabe.
Das hier verfolgte Projekt setzte sich zum Ziel, eine einfache und robuste Methode zu entwickeln, die diese Lücke im Bereich thermischer Messtechnik schließt. Ausgangspunkt war die photoakustische Charakterisierung, die eine Messung der Wärmeleitfähigkeit ermöglichte, jedoch auf einen limitierten Messfrequenzbereich und damit Schichtdickenbereich beschränkt war.
rechts: Beispielmessungen mit faseroptischem Aufbau. li: Messung entspricht Erwartungen; re: Messung kann nicht vom thermischen Modell reproduziert werden (Quelle: Universität Bayreuth, Lehrstuhl für Physikalische Chemie I)
Es konnte in dem bearbeiteten Projekt gezeigt werden, dass die etablierte Methodik auf die Messung der Thermoreflektion übertragen werden kann, wodurch ein Frequenzbereich bis zu mehreren 100 kHz zugänglich wurde. Es war daher möglich mittels Messung der Thermoreflektion in der Frequenzdomäne (FDTR), die Wärmeleitfähigkeit von schlecht leitenden Filmen im sub-μm Bereich direkt zu messen. Dies konnte experimentell bestätigt werden. Um möglichst robuste Messungen zu erlauben, kommen in dieser Methode große Strahldurchmesser (>> 10 μm) zum Einsatz, wodurch die Ausrichtung von Pump-Probe-Lasern erleichtert wird. Außerdem stellte sich eine balanced photodetection als zielführend für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis heraus. Der Messaufbau und die Ausrichtung der beiden Laser zueinander konnte durch die Verwendung einer Faseroptik weiter vereinfacht werden. Wider Erwarten waren die Messungen von einer hohen Variabilität beeinflusst, was deren Reproduzierbarkeit verschlechterte. Als mögliche Ursache kommt die Haftung der notwendigen metallischen Transducerschicht auf der Probenoberfläche in Betracht. Dies verdeutlicht, dass sowohl der Messaufbau als auch die zu messenden Proben aufeinander abgestimmt werden müssen.
