Ученые НИЦ «Курчатовский институт» усовершенствовали систему измерения теплопроводности тонких пленок, которые используются в электронике для отвода избыточного тепла. Новая установка позволяет в автоматизированном режиме измерять теплопроводность пленок толщиной от 100 нанометров в широком диапазоне температур. Разработка поможет специалистам создавать пленки 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 ученые 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 идет о твердых телах), а также жидкостей и газов. Хуже обстоит дело с тонкопленочными 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 пленках 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 объемных материалов, но особенно она востребована для измерения тонких пленок.

— С помощью этого метода можно измерять теплопроводность массивных материалов толщиной в несколько сантиметров, а также тонких нанометровых пленок 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.

Ученые НИЦ «Курчатовский институт» развили и усовершенствовали методику, автоматизировав ее 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 ученые использовали другие методы, что подтвердило точность разработанного метода.

Ученые добавили, что подложки синтетического сапфира активно используются при производстве светодиодов (около 78% производимого в мире объема на 2015 год), защитные стекла для камер смартфонов (около 13%), дисплеев «умных часов» (7%). Россия занимает примерно ⅕ долю мирового рынка производства синтетического сапфира.

— Важной особенностью методики является возможность достоверного измерения теплопроводности тонких пленок, свойства которых могут значительно отличаться от свойств объемного 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, — отметил начальник отдела прикладных наноэлектронных структур Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий Максим Занавескин.

Разработка ученых НИЦ «Курчатовский институт» поможет создавать пленки с большей теплопроводностью и тем самым продлевать срок службы техники.

По словам Александра Инюшкина, предложенный исследователи метод также поддается модификации. В таком случае его можно использовать для измерения теплопроводности биологических тканей, материалов для термоядерного синтеза и термоэлектрических преобразователей.