КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-22-00597

НазваниеИсследование теплопроводности тонкопленочных термоэлектриков оптическими методами

РуководительХодзицкий Михаил Константинович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "ТЕРАГЕРЦОВАЯ ФОТОНИКА", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-203 - Поверхность и тонкие пленки

Ключевые словатермоэлектрики, теплопроводности, тонкие пленки

Код ГРНТИ29.19.09


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Термоэлектрические тонкопленочные преобразователи могут применяться для локального точечного охлаждения, генерации электроэнергии, а также как фотодетекторы. Эффективность и мощность таких устройств зависит от термоэлектрических свойств материала: электропроводности, теплопроводности и коэффициента Зеебека. Существуют методы измерения электропроводности и коэффициента Зеебека, позволяющие получить высокую воспроизводимость результатов, и подтверждающиеся при проведении измерений различными методами на различных установках. Измерение теплопроводности тонких пленок является более трудной задачей. Фундаментальным значением исследования теплопроводности является тот факт, что знание теплопроводности также способно помочь в выявлении влияния структуры пленки на процессы переноса тепла. Влияние толщины пленки и поверхностных эффектов с одной стороны способно привести к снижению теплопроводности в направлении, нормальном к плоскости пленки. С другой стороны, наличие точечных и линейных дефектов, фигур роста, границ между блоками (кристаллитами), локального выпадения второй фазы и других структурных особенностей способно значительно снизить теплопроводность в плоскости пленки. Влияние этих факторов на составляющие тензора теплопроводности до сих пор неочевидно. С практической точки зрения, отсутствие точного представления о теплопроводности тонких пленок затрудняет процесс моделирования и проектирования устройств на их основе. В данном проекте будет разработана новая методика по измерению теплопроводности оптическими методами и получены новые данные о теплопроводности тонкопленочных термоэлектриков (дисульфида молибдена, дисульфида вольфрама, многослойного графена, висмутена), которые могут быть использованы для создания эффективных фотодетекторов.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта будет разработана и реализована методика измерения теплопроводности тонкопленочных термоэлектриков на основе стационарного метода термоотражения. На основе разработанной методики будут получены новые данные о теплопроводности термоэлектрических тонкопленочных материалов различной структуры и толщины (дисульфида молибдена, дисульфида вольфрама, многослойного графена, висмутена). Полученные данные можно будет использовать при разработке реальных прототипов устройств для высокочувствительного детектирования излучения при комнатной температуре.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Собрана установка для измерения коэффициента теплопроводности на основе метода стационарного термоотражения. Метод основан на оценке изменения коэффициента отражения измеряемого образца в зависимости от температуры, меняющейся при поглощении излучения лазерного источника. В среде LabView разработана программа для автоматизации процесса измерений. Программа записывает изменение соотношения сканирующего сигнала к эталонному. Разработана численная модель в программе COMSOL Multiphysics, которая позволяет проводить расчет нагрева образцов при облучении, учитывать форму и ширину пучка, нормальное распределение мощности и оптические свойства материалов. Данный подход значительно проще, чем постобработка результатов измерений методами термоотражения во временной и частотной областях, и проще, чем методы обработки данных, предложенными ранее для стационарного термоотражения. Разработанная численная модель позволяет точно проводить расчет температуры за счет детального моделирования параметров излучения. Для моделирования применен модуль теплопередачи в твердом теле. Для описания источника теплоты использовалась функция для объемной мощности теплового потока, включающая в себя коэффициент отражения материала и его поглощение, нормальное распределение мощности в плоскости x-y, затухание электромагнитной волны и ширину пучка. Моделирование проведено на примере образцов кремния и ситалла. Проведено исследование влияния числа конечных элементов на точность расчета. Показано, что количество элементов по оси z должно быть не менее 50. Это позволило провести достоверное 3D–моделирование со средним временем расчета порядка одной минуты. Проведено сравнение значений температуры, полученных численным путем и измеренных при помощи термопары. Показано, что отклонение данных расчета от экспериментальных не превышает 8%. Таким образом, расчет можно считать достоверным. Рассчитан нагрев образцов в области поглощения излучения и получено соотношение изменения температуры в образцах к поглощенной мощности. Рассчитано значение поглощения для образца ситалла, предложена методика расчета коэффициента экстинкции и поглощения с учетом эффекта Фабри-Перо. Для определения калибровочного коэффициента γ были использованы данные о сигнале с балансного детектора, измеряющего изменение коэффициента отражения образца в зависимости от температуры. Определены значения калибровочного коэффициента для исследуемых образцов. Проведен более детальный расчет зависимости калибровочного коэффициента от температуры на примере образца кремния. С применением закона Фурье были рассчитаны значения коэффициентов теплопроводности для исследуемых образцов. Рассчитана величина площади, которую необходимо применять для расчета с учетом неравномерности источника теплоты. Получена зависимость коэффициента теплопроводности от температуры с применением предлагаемого подхода на примере образца кремния. При температуре 295 К расхождение с данными из литературных источников составляет 5%, а при достижении 350 К 12%. Далее погрешность увеличивается. Таким образом, измерение теплопроводности образцов без металлического покрытия возможно вблизи комнатных температур. Данные о теплопроводности ситалла, измеренные методом стационарного термоотражения, были получены впервые. Также впервые была измерена теплопроводность кремния в диапазоне температур от 295 до 470 К. Значения теплопроводности кремния, полученные с применением предложенной методики, соответствуют данным литературы в температурном диапазоне от 295 до 350 К.

 

Публикации

1. Тукмакова А.С., Демченко П.С., Тхоржевский И.Л., Новотельнова А.В., Ходзицкий М.К. Моделирование процесса стационарного термоотражения для измерения теплопроводности материалов Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, №6, Том 22, стр.1172-1181 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.17586/2226-1494-2022-22-6-1172-1181

2. Тукмакова А.С., Демченко П.С., Тхоржевский И.Л., Новотельнова А.В., Ходзицкий М.К. The development of the simulation methodology for steady-state thermoreflectance technique Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 12324 - 43 V. 1 p.1-10 (год публикации - 2022)


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Подобраны калибровочные образцы с известным значением теплопроводности: оксиды алюминия (Al2O3), цинка (ZnO) и кремния (SiO). На все образцы было нанесено тонкое алюминиевое покрытие с известным значением коэффициента термоотражения, толщина покрытия составила 100 нм. При помощи установки стационарного термоотражения был измерен сигнал балансного детектора при отсутствии воздействия и при воздействии на образец излучения лазера накачки. Определены параметры излучения: ширина пучка и нормальное распределение интенсивности. При проведении эксперимента было проведено измерение температурного поля в образцах при помощи тепловизора. Разработана численная модель позволяющая рассчитывать нагрев образцов при поглощении излучения и определять формируемую разность температур. Проведена верификация модели путем сравнения поля температуры, полученного в результате численного моделирования, с полем температуры, полученным в результате измерения тепловизором. Проведена калибровка установки для определения соотношения между относительным изменением коэффициента отражения материала образца и относительным изменением температуры отражающей поверхности. В результате получена калибровочная кривая, которая будет использоваться на завершающем этапе проекта для определения теплопроводности тонкопленочных материалов. Подготовлены образцы следующих материалов: ПЭТ, стекло, оксид алюминия, оксид цинка, слюда, кремний, медь, многослойный графен. Измерены коэффициенты пропускания, отражения и показатели преломления для построения численной и аналитической моделей теплопроводности. Образцы покрыты тонкой алюминиевой пленкой, выполняющей роль преобразователя. Проведены измерения коэффициента теплопроводности образцов методом стационарного термоотражения. Измерения проводились в состоянии теплового равновесия образцов. Состояние равновесия подтверждалось аналитически и экспериментально. Произведено численное моделирование для определения необходимой мощности нагрева и времени достижения стационарного состояния образца. Экспериментальные результаты соответствуют моделированию. Оценена чувствительность метода на примере образца германия, демонстрируя неопределенность менее 10%. Метод подтвержден для широкого диапазона коэффициента теплопроводности материала (от 0.4 до 500 Вт/(м⋅К)) при температурах до 50 °С. Проведен анализ и сравнение данных с литературными результатами на примере слюдяных подложек, образца германия и многослойного графена. На основе полученных данных о теплопроводности был смоделирован и изготовлен датчик терагерцового излучения. Публикации в СМИ: https://russian.rt.com/science/article/1227976-teploprovodnost-lazery-izobretenie https://scientificrussia.ru/articles/zasita-ot-peregreva-pribor-na-osnove-dvuh-lazerov-izmerit-teploprovodnost-materialov-dla-elektroniki https://polit.ru/articles/pro-science/ps_lasers/ https://www.tellerreport.com/tech/2023-11-10-%22ten-times-cheaper-than-analogues%22--russian-scientists-have-created-a-device-for-measuring-the-thermal-conductivity-of-materials.rkHUZYKimp.html https://sutd.ru/novosti_i_obyavleniya/announces/22804/ https://poisknews.ru/themes/physics/pribor-na-osnove-dvuh-lazerov-izmerit-teploprovodnost-materialov-dlya-elektroniki/ https://inscience.news/ru/article/russian-science/14737 https://indicator.ru/physics/zashita-ot-peregreva-pribor-na-osnove-dvukh-lazerov-izmerit-teploprovodnost-materialov-dlya-elektroniki-10-11-2023.htm https://colab.ws/news/788 http://eurolitva.ru/v-desyat-raz-deshevle-analogov-rossijskie-uchyonye-sozdali-pribor-dlya-izmereniya-teploprovodnosti-materialov/ https://xn--80akfo2a.xn--p1ai/2023/11/15/27227/

 

Публикации

1. Демченко П.С., Тукмакова А.С., Тхоржевский И.Л., Каблукова Н.С., Ходзицкий М.К. Spiral room-temperature thin-filmed photo-thermoelectric THz detector based on Bi88Sb12 solid solutions Applied Physics Letters, №. 15, Т. 123, 151110 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1063/5.0161026

2. - ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕГРЕВА: ПРИБОР НА ОСНОВЕ ДВУХ ЛАЗЕРОВ ИЗМЕРИТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОНИКИ Научная Россия, 10 ноября 2023 (год публикации - )

3. - Два лазера для измерения теплопроводности Полит.ру, 13 ноября (год публикации - )

4. - Ten times cheaper than analogues": Russian scientists have created a device for measuring the thermal conductivity of materials tellerreport.com, 10 ноября 2023 (год публикации - )

5. - Российские ученые создали прибор для измерения теплопроводности материалов Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, 13 ноября 2023 (год публикации - )

6. - Прибор на основе двух лазеров измерит теплопроводность материалов для электроники poisknews.ru, 10 ноября 2023 (год публикации - )

7. - Прибор на основе двух лазеров измерит теплопроводность материалов для электроники Inscience, 10 ноября 2023 (год публикации - )

8. - Защита от перегрева: прибор на основе двух лазеров измерит теплопроводность материалов для электроники Indicator.ru, 10 ноября 2023 (год публикации - )

9. - Устройство из двух лазеров измерит теплопроводность материалов для электроники Colab, 12 ноября 2023 (год публикации - )

10. - В десять раз дешевле аналогов»: российские учёные создали прибор для измерения теплопроводности материалов Eurolitva, 10 ноября 2023 (год публикации - )

11. - Прибор на основе двух лазеров измерит теплопроводность материалов для электроники Лазерный мир, 15 ноября 2023 (год публикации - )

12. - В десять раз дешевле аналогов»: российские учёные создали прибор для измерения теплопроводности материалов RT на русском, 10 ноября 2023 г. (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
Фундаментальным значением исследования теплопроводности является тот факт, что знание теплопроводности также способно помочь в выявлении влияния структуры пленки на процессы переноса тепла. Влияние толщины пленки и поверхностных эффектов с одной стороны способно привести к снижению теплопроводности в направлении, нормальном к плоскости пленки. С другой стороны, наличие точечных и линейных дефектов, фигур роста, границ между блоками (кристаллитами), локального выпадения второй фазы и других структурных особенностей способно значительно снизить теплопроводность в плоскости пленки. Влияние этих факторов на составляющие тензора теплопроводности до сих пор неочевидно. С практической точки зрения, отсутствие точного представления о теплопроводности тонких пленок затрудняет процесс моделирования и проектирования устройств на их основе. В данном проекте была разработана новая методика по измерению теплопроводности оптическими методами и получены новые данные о теплопроводности материалов и тонкопленочных термоэлектриков, которые могут быть использованы для создания эффективных фотодетекторов.