Determinación de la efusividad térmica en sólidos mediante la técnica fotoacústica

Abstract

ABSTRACT: We report the results about the experimental prove and application about a methodology based on photoacoustic technique in the heat diffusion configuration and the determination of the thermal effusivity of solids and we are showing its utility by means the measurement of thermal effusivity of metals and semiconductors such as silver, cupper, titanium, silicon and gallium arsenide with different reference-sample configurations. We are showing that the best results are obtained by fitting the experimental results in two frequencies ranges one of these between o.5 fc and 0.7 fc and the other between 0.7 fc and 3 fc. The main advantage of this methodology is we only need to do one experimental recording, meanwhile in other photoacoustic based techniques we need to do two different recordings that can get not much trustable results. Beside this, a new application about this methodology was done by determining the thermal effusivity in the porous layer of type n and p porous silicon samples with different times of electrochemical attack. Our results show that the morphology of the porous structure plays an important role in the thermal exchange capacity inside this structure. The thermal effusivity value for n type porous silicon samples is two to three bigger than the p type samples ones. This is due that the columnar direction of the porous formation favors the heat flux through the structure. On the other hand , an amorphous shape in the porous layer of p type porous silicon remains the same no matter the time of electrochemical attack. Our results show that thermal effusivity values in the porous layer of n type silicon increase with the time of attack, in the opposite with the case of p type porous silicon. This is because the difference in the erosion process carries in to a change in the morphology as a function of the time attack in each case.

RESUMEN: Reportamos la comprobación experimental y aplicación de una metodología basada en la técnica fotoacústica en configuración de difusión de calor para la determinación de la efusividad térmica en sólidos, y mostramos su utilidad mediante la medición de la efusividad térmica en metales y semiconductores como Plata, cobre, titanio, silicio y arsenuro de galio con diferentes configuraciones referencia-muestra. Se demuestra que los mejores resultados del ajuste del modelo teórico a los resultados experimentales se obtienen en los rangos de frecuencia que van de 0 a 0.5fc y de 0.7 fc a 3 fc. La principal ventaja de esta metodología respecto de otras basadas en la técnica fotoacústica es que solo requiere de una corrida experimental, a diferencia de las otras que requieren de dos corridas experimentales bajo las mismas condiciones experimentales, lo cual es generalmente difícil de cumplir, y conduce a resultados poco confiables. Además, como una aplicación novedosa de la metodología descrita, realizamos la determinación de la efusividad térmica en la capa porosa de muestras de silicio poroso tipos n y p con diferentes tiempos de ataque electroquímico. Nuestros resultados muestran que la morfología de la estructura porosa es determinante en la capacidad de intercambio térmico en estas estructuras. La efusividad térmica de la capa porosa del silicio poroso tipo n es de dos a tres veces mayor que la de la capa porosa del silicio poroso tipo p, esto en virtud de la dirección columnar de la formación porosa en el silicio poroso tipo n que favorece el flujo de calor a través de su estructura, y a una formación amorfa en la capa porosa del silicio poroso tipo p sin aumento de su espesor con el tiempo de ataque. Asimismo, nuestros resultados muestran que la efusividad térmica en la capa porosa del silicio tipo n aumenta con el tiempo de ataque, mientras que en la capa porosa del silicio tipo p la efusividad térmica disminuye. Esto debido a que la diferencia de erosión del ataque electroquímico en ambos casos conduce a un cambio en la morfología con el tiempo de ataque en cada caso.