應用領域 | 綜合 |
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Pioneer-ONE系列飛秒激光時域熱反射測量系統(TDTR)可用于研究各種多層膜結構熱物性,包括納米薄膜材料和液體材料的熱導率、熱容;固-固材料界面、固-液材料界面,微結構界面熱導;及各種微結構熱物性等。
在現代工業中,材料的熱性能,尤其是熱物理性能,變得越來越重要。這些性能在高性能微電子器件的散熱材料、可持續能源中的熱電材料、節能領域的絕熱材料以及渦輪葉片的熱障涂層(TBC)等方面都有廣泛應用。在各種熱物性參數中,導熱系數尤為關鍵。隨著電子設備設計的進步和對有效熱管理需求的增加,納米薄膜材料得到了廣泛應用。納米級薄膜的厚度通常小于塊體材料的典型晶粒粒徑,因此其熱物理性能與塊體材料有顯著不同。在納米級厚度范圍內,精確測量熱擴散系數和導熱系數變得越來越迫切。
飛秒激光時域熱反射(Time-Domain Thermoreflectance, TDTR)技術是?種基于飛秒超快激光泵浦探測(pump-probe)技術的非接觸式導熱測量方法。相比其他導熱測量技術, TDTR是目前少數幾種可以同時測量納米薄膜熱導率和界面熱阻的技術。該技術用于研究多種材料的微觀熱輸運性質,包括納米薄膜材料和液體材料的熱導率,固-固材料界面和固-液材料界面的熱導,以及在極低溫(4K)和超高壓(10GPa)條件下的熱輸運。此外,TDTR還對短脈沖和高頻加熱情況下的非傅立葉模型進行了解析計算,并從量子理論出發分析了微尺度能量輸運過程。
圖1 典型樣品結構,包括金屬薄膜傳感層和其他可能的基底材料
導熱特性的測量有兩大必要因素:熱流的施加(加熱方式)和溫度的測量,對這兩大因素的選取和控制決定了測量方法的精度和適用范圍。TDTR方法采用脈沖激光加熱、脈沖激光測溫的測量方式,實現測量溫度隨時間變化的超高時間分辨率,時間分辨率zui高可達100飛秒(10^-15秒)。測量所使用的典型樣品結構如圖1所示,為保證樣品吸收和反射激光的效果,通常在被測樣品表面制備厚度約100納米的金屬薄膜,通常為鋁、金、銅等金屬。儀器利用一束飛秒脈沖激光照射樣品表層金屬薄膜,金屬薄膜吸收激光能量并將其轉化為熱能從而對樣品進行加熱,加熱過程在皮秒(10^-12秒)尺度上發生,隨后熱能通過熱擴散向樣品內部傳遞,金屬表面溫度隨時間逐漸回落。由于金屬的反射率與其溫度有關,利用該特性儀器通過測量另?束激光的反射強度變化反推獲得金屬表面溫度隨時間的變化曲線,該曲線反應了被測樣品的導熱性質,通過儀器內置的擬合算法可以獲得被測樣品的熱導率、熱擴散率、吸熱系數、界面熱阻等熱物性參數。
典型數據展示
圖2 六種基底材料與Al傳感層組成的兩層結構樣品的相位差信號和幅值信號及擬合曲線
數據結果顯示,AlN和SrTiO3基底與Al傳感層之間的界面熱導均接近110 MW/m2K,
其他四種常見基底材料與Al傳感層之間的界面熱導的數值分布在140–200 MW/m2K中。