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Pioneer-ONE系列飛秒激光時域熱反射測量系統(tǒng)（TDTR）可用于研究各種多層膜結(jié)構(gòu)熱物性，包括納米薄膜材料和液體材料的熱導(dǎo)率、熱容；固-固材料界面、固-液材料界面，微結(jié)構(gòu)界面熱導(dǎo)；及各種微結(jié)構(gòu)熱物性等。
在現(xiàn)代工業(yè)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(xù)能源中的熱電材料、節(jié)能領(lǐng)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(yīng)用。在各種熱物性參數(shù)中，導(dǎo)熱系數(shù)尤為關(guān)鍵。隨著電子設(shè)備設(shè)計的進(jìn)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(yīng)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(nèi)，精確測量熱擴散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)變得越來越迫切。
飛秒激光時域熱反射（Time-Domain Thermoreflectance, TDTR）技術(shù)是?種基于飛秒超快激光泵浦探測（pump-probe）技術(shù)的非接觸式導(dǎo)熱測量方法。相比其他導(dǎo)熱測量技術(shù)， TDTR是目前少數(shù)幾種可以同時測量納米薄膜熱導(dǎo)率和界面熱阻的技術(shù)。該技術(shù)用于研究多種材料的微觀熱輸運性質(zhì)，包括納米薄膜材料和液體材料的熱導(dǎo)率，固-固材料界面和固-液材料界面的熱導(dǎo)，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(jìn)行了解析計算，并從量子理論出發(fā)分析了微尺度能量輸運過程。
圖1 典型樣品結(jié)構(gòu)，包括金屬薄膜傳感層和其他可能的基底材料
導(dǎo)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(xiàn)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(dá)100飛秒（10^-15秒）。測量所使用的典型樣品結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化為熱能從而對樣品進(jìn)行加熱，加熱過程在皮秒（10^-12秒）尺度上發(fā)生，隨后熱能通過熱擴散向樣品內(nèi)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(guān)，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(yīng)了被測樣品的導(dǎo)熱性質(zhì)，通過儀器內(nèi)置的擬合算法可以獲得被測樣品的熱導(dǎo)率、熱擴散率、吸熱系數(shù)、界面熱阻等熱物性參數(shù)。
典型數(shù)據(jù)展示
圖2 六種基底材料與Al傳感層組成的兩層結(jié)構(gòu)樣品的相位差信號和幅值信號及擬合曲線
數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，AlN和SrTiO3基底與Al傳感層之間的界面熱導(dǎo)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(dǎo)的數(shù)值分布在140–200 MW/m2K中。
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