Nanoskopische Erfassung des anisotropen Wärmetransports

• Antragsteller: Dr.-Ing. Ralf Heiderhoff
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253402981

Dünne Schichten gewinnen in einer Vielzahl von technischen Anwendungen immer mehr an Bedeutung. Da die thermischen Eigenschaften dieser dünnen Schichten zu den grundlegenden Funktionen zahlreicher technischer Komponenten beitragen, sind sie für deren effizienten Betrieb und ihre Zuverlässigkeit von besonders hohem Interesse. Vor allem haben Wärmeleitfähigkeitsmessungen in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit gewonnen, da die Bauelementbetriebstemperatur sowohl die Lebensdauer als auch das elektrische Verhalten beeinflusst. Allerdings sind die häufig verwendeten Techniken zur Wärmeleitfähigkeitsmessung entweder in ihrer räumlichen Auflösung oder in der Möglichkeit der gerichteten Analyse des Wärmetransports begrenzt. Die Wärmeleitfähigkeit wird nur als eine skalare Größe in Untersuchungen des Wärmestroms durch eine Schicht und in Wärmetransportuntersuchungen in der Ebene angesehen. Der Wärmetransport kann jedoch sowohl anisotrop sein als auch nichtlineare Beiträge an Grenzflächen besitzen.Im Rahmen der ersten Phase dieses Projektes konnte bereits erfolgreich demonstriert werden, dass mit Hilfe eines thermischen Nahfeld-Mikroskopes (SThM) Untersuchungen des anisotropen thermischen Transportes senkrecht zur Schicht und innerhalb ultradünner Filme erfolgreich durchgeführt werden können. Wärmetransportcharakteristika, die bisher nur über Simulationen zugänglich waren, wurden erstmalig experimentell erfasst. Abweichend von der üblichen makroskopischen diffusiven Beschreibung wurde der Beitrag ballistischer Transportmechanismen bereits bei Filmdicken, die deutlich größer als die mittleren freien Phononen-Weglängen sind, aufgezeigt. In der hier beantragten zweiten Projektphase sollen statische und dynamische thermische Transporteigenschaften in Abhängigkeit der Temperatur von amorphen und polykristallinen Schichten quantitativ mit höchster räumlicher Auflösung studiert werden. Als Demonstratoren dienen zum einen dünne Filme von Blei-Halid-Perowskiten. Neben ihrer großen Relevanz für Anwendungen in Solarzellen, LEDs und LASERn, erlauben sie durch geeignete Wahl ihrer Kationen und Halogene einen modellhaften Zugang zu der thermischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Kristallstruktur, der Dimensionalität und der Kristallorientierung. Ebenso sind Wärmetransportuntersuchungen an Korngrenzen zugänglich. Zum anderen ebenen Schichtstrukturen, die mittels Atomlagendeposition hergestellt wurden, den Zugang zu den gerichteten Wärmetransportmechanismen an Grenzflächen von Vielschichtsystemen und an den Übergängen von zweidimensionalen zu dreidimensionalen Wärmeleitungen. Dadurch werden neue und innovative Perspektiven für Schadensanalysen und Zuverlässigkeitsuntersuchungen von zukünftigen Dünnschichtbauelementen erschlossen. Es können existierende thermophysikalische Denkmodelle von Nanosystemen durch Messungen erforscht und quantitativ überprüft werden. Grenzen der klassischen Wärmeleitungsgesetze in Strukturen reduzierter Dimension werden aufgezeigt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Thomas Riedl