Nanoskopische Erfassung des anisotropen Wärmetransports

Aufgrund ihrer herausragenden elektronischen, optischen und mechanischen Eigenschaften gewinnen dünne Schichten 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 (z.B. zu der Mikroelektronik und zu MEMS), sind sie für deren effizienten Betrieb und ihre Zuverlässigkeit von besonders hohem Interesse. Vor allem haben Wärmeleitfähigkeitsmessungen an organischen Dünnfilmbauelementen in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit gewonnen, da die Bauelementbetriebstemperatur sowohl die Lebensdauer als auch das elektrische Verhalten beeinflusst. Temperaturänderungen in organisch-elektronischen Bauelementen können Verschiebungen in der Materialbandlücke hervorrufen, verursachen z.B. Kristallisation, Diffusion von Dotierstoffen oder thermomechanische Ausfälle, erhöhen die Ladungsträgermobilität beim Variable-Range-Hopping (amorphe Materialien) oder verringern die Ladungsträgermobilität im Bandtransport (kristalline Materialien). 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 Kennlinien an Grenzflächen besitzen.

Deshalb steht die lokale Erfassung des anisotropen Wärmetransports mittels thermischen Nahfeld-Mikroskopie-Verfahren im Mittelpunkt dieses Projekts. Zum ersten Mal werden thermischeTransporteigenschaften von dünnen leitenden, halbleitenden sowie dielektrischen Schichten und Grenzflächen quantitativ in allen drei Raumrichtungen mit höchster räumlicher Auflösung studiert. Somit ebnet diese Technik den Zugang zu den gerichteten Wärmetransportmechanismen an Grenzflächen, z.B. zu nichtlinearen thermischen Charakteristika, und kann sinnvoll für Forschungsaktivitäten auf nanostrukturierten Vielschichtsystemen angewendet werden. Die zerstörungsfreie Erkennung von amorphen und kristallinen Strukturen in organischen und anorganischen Dünnschichten ist ein Ziel im Rahmen des Projektes. Dadurch werden völlig neue und innovative Perspektiven für Schadensanalysen und Zuverlässigkeitsuntersuchungen von zukünftigen Dünnschichtbauelementen erschlossen, z. B. thermische Untersuchungen der Gasdiffisionsbarriere- und Injektionsschichten in organischen Leuchtdioden oder organischen Solarzellen. Darüber hinaus können bereits existierende thermophysikalische Denkmodelle von Nanosystemen durch Messungen erforscht und überprüft werden, die bisher nur über Simulationen zugänglich waren. Letztendlich können Grenzen der klassischen Wärmeleitungsgesetze an nanoskaligen Dimensionen aufgezeigt werden.

Laufzeit:
13.02.2014 - 12.02.2017

Projektleiter:
Dr. R. Heiderhoff