薄膜分析用機器
薄膜の物理的特性は、相変化材料、光ディスク媒体、熱電材料、発光ダイオード（LED）、燃料電池、相変化メモリ、フラットパネルディスプレイなど半導体産業全般の産業およびアプリケーションでますます重要になっています。
これらの業界はすべて、デバイスに特定の機能を提供するために、単一層または複数層の構造でできています。薄膜の物理的特性はバルク材料とは大きく異なるため、評価デバイスを実際に使用する製品と同じ厚さと温度で特性を取得する必要があります。高アスペクト比と堆積技術により、ひび割れや表面散乱が発生し、輸送特性が低下します。
測定の要件はバルク材料と異なる場合があるため、異なる計測を使用する必要があります。
通常、薄膜材料の熱伝導率と電気伝導率は、バルク材料の熱伝導率よりも小さく、時には劇的に小さくなります。たとえば、室温では、20 nm Siフィルムまたはナノワイヤの熱伝導率は、その単結晶バルクよりも5倍小さい[1]ことがあります。 100 nmのAuの場合、輸送特性がほぼ半分になることが示されます[2]。一般に、輸送特性は温度だけでなく、厚さにも強く依存すると言うことができます[3]。
このような熱伝導率の低下は、一般に2つの基本的な理由で発生します。第一に、バルク単結晶と比較して、多くの薄膜合成技術は、より多くの不純物、不規則性、および粒界をもたらし、そのすべてが熱伝導率を低下させる傾向があります。第二に、原子的に完全な薄膜でさえ、境界散乱、フォノン漏れ、および関連する相互作用により熱伝導率が低下することが予想されます。両方の基本的なメカニズムは、通常、面内輸送とクロスプレーン輸送に異なる影響を与えるため、バルク形状がもつ熱伝導率が等方性でも、薄膜の熱伝導率は通常異方性です。
[1] Li, Deyu, et al. “Thermal conductivity of individual silicon nanowires.” Applied Physics Letters 83.14 (2003): 2934-2936.
[2] Linseis, V., Völklein, F., Reith, H., Nielsch, K., and Woias, P. 2018. Thermoelectric properties of Au and Ti nanofilms, characterized with a novel measurement platform. Materials Today: Proceedings, ECT2017 Conference Proceedings.
[3] Linseis, V., Völklein, F., Reith, H., Hühne, R., Schnatmann, L., Nielsch, K., and Woias, P. 2018. Thickness and temperature dependent thermoelectric properties of Bi87Sb13 nanofilms measured with a novel measurement platform. Semiconductor Science and Technology.
