Prakt. Met. Sonderband 47 (2015) 245
Diinnschichtkalorimetrie auf der Basis piezoelektrischer Langasit-
Resonatoren: Einfluss der Schichtdicke auf die Bestimmung der
Schmelzenthalpie von Zinn-Schichten
S. Schroder, H. Wulfmeier, H. Fritze
Technische Universität Clausthal
I Motivation
Diinne Schichten nehmen in Wissenschaft und Technik eine immer bedeutendere Rolle ein.
Beispielsweise werden sie in Diinnschicht-Batteriezellen, in der Optik oder in mikroelektroischen
Systemen eingesetzt. Aus wissenschaftlicher Sicht besteht bei der Schmelzpunkterniedrigung
diinner Schichten weiterer Forschungsbedarf.
Zur Charakterisierung der thermodynamischen Eigenschaften diinner Schichten wurde daher ein
neuartiges Diinnschichtkalorimeter (Thin Film Calorimeter, TFC) entwickelt. Auf der Grundlage
von piezoelektrischen Langasit-Resonatoren (La;GasSiO4, LGS) ermdglicht es die Messung der
Schmelztemperatur und —enthalpie dünner Schichten bis zu Temperaturen von ca. 1100 °C. Der
Vorteil des TFC-Systems liegt in der Kombination von Hochtemperaturtauglichkeit und
Dünnschichtkalorimetrie. Die Funktionsfähigkeit der TFC wurde bereits bestätigt [1, 2, 3].
2 Das Dünnschichtkalorimeter
Das TFC-System nutzt die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz von LGS-Resonatoren,
die als Volumenschwinger (Thickness Shear Mode, TSM) verwendet werden. Das
Schwingungsverhalten beschichteter LGS-Resonatoren kann durch ein eindimensionales
physikalisches Modell oder das Butterworth-van-Dyke-Ersatzschaltbild (BvD-ESB) für TSM-
Resonatoren [4] beschrieben werden.
2.1 Funktionsprinzip des Diinnschichtkalorimeters
Abbildung 1 zeigt den Temperaturverlauf des Ofens und des Resonators, sowie den
Resonanzfrequenzverlauf des Resonators. Die Frequenzabhingigkeit der Admittanz eines
Resonators in der Nähe ihres Maximum kann in guter Näherung durch eine Lorentz-Funktion
beschrieben werden [5]. Die Resonanzfrequenz selbst kann am Admittanz-Maximum abgelesen
werden und hängt bei einem beschichteten LGS-Resonator von der Dicke des Resonators, von der
Massenbeladung der aufgebrachten Dünnschicht und der Temperatur des Resonators.
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Abbildung 1. Funktionsprinzip des Diinnschichtkalorimeters (TFC) [1]
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