טכניקת TET (חולף אלקטרו תרמי) היא גישה יעילה שפותחה כדי למדוד את diffusivity התרמית של חומרים מוצקים.
טכניקת TET (חולף אלקטרו תרמי) היא גישה יעילה שפותחה כדי למדוד את diffusivity התרמית של חומרים מוצקים, כוללים מבנים חד ממדיים מוליכים, מוליכי למחצה או nonconductive. טכניקה זו מרחיבה את היקף המדידה של חומרים (מוליך וnonconductive) ומשפרת את הדיוק ויציבות. אם המדגם (בעיקר חומרים ביולוגיים, כגון שיער ראש האדם, עכביש משי, ומשי תולעת משי) אינו מוליך, זה יהיה מצופה בשכבת זהב כדי לעשות את זה באופן אלקטרוני מוליך. ההשפעה של הולכה טפילה והפסדי קרינה בdiffusivity התרמית יכולה להיות מופחת במהלך עיבוד הנתונים. אז מוליכות תרמית אמיתיות יכולות להיות מחושבת עם הערך נתון של חום המבוסס על נפח מסוים (עמ 'ρc), אשר ניתן להשיג מכיול, טכניקת צילום תרמי ללא מגע או מדידת הצפיפות וחום סגולי בנפרד. בעבודה זו, דגימות שיער ראש אדם הן שימושד כדי להראות כיצד להגדיר את הניסוי, לעבד את נתוני הניסוי, ולחסר את ההשפעה של הולכה טפילה והפסדי קרינה.
טכניקת TET 1 היא גישה יעילה שפותחה כדי למדוד את diffusivity התרמית של חומרים מוצקים, כוללים מבנים חד ממדיים מוליכים, מוליכי למחצה או nonconductive. בעבר, השיטה אחת החוט 3ω 2-4 ושיטת ההתקן מפוברק מיקרו 5-9 פותחו כדי למדוד את תכונות תרמיות של מבנים חד ממדיים במייקרו / ננו. על מנת להרחיב את היקף המדידה של חומרים (מוליך וnonconductive) ולשפר את הדיוק ויציבות, הטכניקה חולפת אלקטרו תרמית (TET) פותחה לאפיון של מאפייני thermophysical של חוטי מיקרו / ננו. טכניקה זו שמשה בהצלחה לאפיון תרמי של סרטי מיקרומטר עבה חופשיים עומדים midi (3-hexylthiophene) 10, סרטים דקים המורכב של Tio anatase 2 nanofibers 11, 1, מיקרו / פולי submicroscale צינורות פחמן בעלי קיר אחדחוטי אקרילוניטריל 12, וסיבי חלבון. בניטרול ההשפעה של הולכה טפילה (אם המדגם הוא מצופה בשכבת זהב כדי להפוך מוליך אלקטרונית אותו) והפסדי קרינה, ניתן להשיג diffusivity התרמית של ממש. אז מוליכות תרמית אמיתיות יכולות להיות מחושבת עם ערך נתון של חום המבוסס על נפח מסוים (עמ 'ρc), אשר ניתן להשיג מכיול, טכניקת צילום תרמי ללא מגע, או מדידת הצפיפות וחום סגולי בנפרד.
בהליך הניסוי, שלושה שלבים [שלב 2), 3) ו -5)] הם קריטיים מאוד להצלחה של אפיון תכונות תרמיות באופן מדויק. עבור שלב 2) ו -3), הרבה תשומת לב צריכה להיות משולמת על יישום דבק כסף רק במגע המדגם-אלקטרודה. זה קל מאוד לזהם המדגם המושעה עם דבק כסף, ואת תכונות תרמיות יגדלו אם זה יקרה. אז בשלב 3), לבדוק את המדגם עם מיקרוסקופ בזהירות, אם בכלל, לזיהום דבק כסף מיושם או שהועמד למושעה מדגם הוא שם לב, מדגם חדש צריך להיות מוכן לניסוי.
כאשר המשוואה 10 היא פשוטה למשוואת 11, הנחה הוא כי הניסוי שנערך בתא ואקום בלחץ נמוך מאוד (1-3 mTorr), ולכן ההשפעה להולכת גז הינה זניחה. אחרי שעשיתי סדרה של בדיקה בלחצים שונים, הוא אישר כי, ב10 משוואה, התנהלות הגזh מקדם יון הוא פרופורציונאלי ללחץ p כשעות = γp. Γ מקדם קשור לפרמטר שנקרא מקדם אירוח תרמית המשקף את מקדם צימוד אנרגיה / החלפה כאשר מולקולות הגז לפגוע פני החומר. Γ יכול להיות מחושב כξπ 2 Dρc P / (4 L 2) שבו ξ הוא השיפוע של diffusivity התרמית נגד לחץ. γ משתנה ממדגם למדגם. גורם ההולכה גז זה יכול להיות מושפע במידה רבה ממבנה חומר המשטח והתצורה מרחבית בתא במהלך אפיון TET. עבור שלב 5), שנהל את הניסוי בלחץ נמוך מאוד (1-3 mTorr) יהיה לוודא כי השפעת הולכת גז מסובכת זה זניחה.
פליטת אנרגית פני השטח (ε) של הדגימות שנמדדו על ידי טכניקה זו גם יכולה להיות מחושבת wiה הערך נתון של חום המבוסס על נפח מסוים (עמ 'ρc), אשר ניתן להשיג מכיול, טכניקת מגע צילום תרמי 13-15 או מדידת הצפיפות וחום סגולי בנפרד. לאחר הפחתת ההשפעה של הולכה טפילה, diffusivity התרמית (α rad + האמיתי) שמוצג באיור 6 יש רק את ההשפעה של הפסדי קרינה, . זה קל לדעת כי:
(13)
כאן T 0 הוא טמפרטורת החדר, L הקוטר של דגימות שנבדקו, ו-D בקוטר של המדגם.
ישנן מספר מגבלות של טכניקת TET. ראשית, זמן Δt ג האופייני להתחבורת ermal במדגם, אשר שווה ל.2026 L 2 / α 1, צריך להיות הרבה יותר גדול מהזמן העלייה (כ -2 μsec) של המקור הנוכחי. אחרת, את הדיוק של התפתחות המתח יושפע באופן משמעותי. אז זה דורש שהמדגם L האורך לא צריך להיות קטן מדי או α diffusivity התרמית צריך לא גדול מדי. שנית, בטמפרטורה של המדגם תעלה בכ 20-30 ° בניסוי. בטווח זה, ההתנגדות של המדגם צריכה להיות קשר לינארי לטמפרטורה. זאת משום בחלק מרקע תיאורטי, זה ידוע שהשינוי במתח הנמדד הוא מטבעו קשור לשינוי בטמפרטורה של המדגם. אם ההתנגדות של המדגם אין קשר לינארי לטמפרטורה, האבולוציה המתח לא יכולה לסבול לאבולוציה הטמפרטורה. שלישית, את המתח של המדגם צריך להיות קשר לינארי כדיזרם DC האכיל במהלך הניסוי. משמעות דבר היא בטמפרטורה מסוימת, ההתנגדות לא תשתנה בעת שינויי זרם DC. זה ידוע היטב כי אין לי מוליכים למחצה נכס זה.
לסיכום, טכניקת TET היא גישה יעילה מאוד ויציבה למדידת תכונות תרמיות מסוגים שונים של חומרים. מאותו החומר, רק לבדוק שתי דגימות עם אורך שונה בכל פעמיים, כל תכונות תרמיות החשובות של חומרים, כגון diffusivity תרמית, מוליכות תרמית, ופליטת אנרגית פני השטח (אם p ρc ניתן), ניתן לאפיין.
The authors have nothing to disclose.
תמיכה בעבודה זו ממשרד מחקר של צי (N000141210603) ומחקר הצבא Office (W911NF1010381) הוא הודה בהכרת תודה. תמיכה חלקית של עבודה זו מהקרן הלאומית למדע (CBET-0,931,290, CMMI-0,926,704, וCBET-0,932,573) היא גם הודתה.
Digital Phosphor Oscilloscope | Tektronix | DPO 3052 | |
Sputter Coater | Denton Vacuum | DESK V | |
AC and DC Current Source | KEITHLEY | Model 6221 | |
Laboratory Microscope | Olympus | BX41 | |
Dual Stage Rotary Vane Vacuum Pump | Varian | DS102 | |
Vacuum Chamber | Huntington Mechanical Laboratories | Customized Product | The pressure in the chamber should be as low as 1-3 mTorr when working with the vacuum pump |
Colloidal Silver Liquid | Ted Pella | 16031 |