光熱反射法中的時(shí)域熱反射和空間域熱反射
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針對(duì)于小尺度薄膜樣品三維熱導(dǎo)率測(cè)量的光熱反射法簡介
小尺度薄膜樣品的熱導(dǎo)率(包括縱向熱導(dǎo)鳖目、面內(nèi)和界面熱導(dǎo))難以測(cè)量扮叨，特別是對(duì)于低導(dǎo)電性樣品和各向異性材料。而基于光學(xué)的熱反射法的發(fā)展使得小尺寸樣品的熱導(dǎo)率測(cè)量變得容易领迈。如今發(fā)展較為成熟的光熱反射技術(shù)有基于超快泵浦探測(cè)的時(shí)域熱反射法(TDTR)和基于連續(xù)波激光的頻域熱反射法(FDTR)彻磁。此外，還有新開發(fā)的穩(wěn)態(tài)溫升熱反射法(SSTR)和空間域熱反射法(SDTR)等狸捅。
這些熱反射法的特點(diǎn)是采用一束經(jīng)調(diào)制的激光周期性加熱樣品衷蜓，采用另一束激光作為探測(cè)光尘喝，通過被加熱樣品表面的反射率隨溫度的線性變化來測(cè)量樣品表面的局部溫度變化磁浇，從而確定樣品相關(guān)的熱物性(例如圖1中的FDTR傳統(tǒng)光路示意圖)朽褪。由于探測(cè)激光可以由高倍顯微物鏡聚焦在樣品表面形成微米直徑的光斑置吓，從而實(shí)現(xiàn)微米級(jí)分辨率的加熱和溫度探測(cè)无虚，因此該方法較大地放寬了對(duì)樣品尺寸的限制。另外基于熱反射法的實(shí)驗(yàn)可建立多層結(jié)構(gòu)的三維各向異性傳熱模型友题，因此該方法不再局限于測(cè)量特定厚度的懸空薄膜材料，還可同時(shí)測(cè)量有襯底的薄膜材料以及塊體材料戴质。
圖1：傳統(tǒng)FDTR光路示意圖(其中泵浦光波長488nm度宦，探測(cè)光波長532nm，泵浦光通過EOM進(jìn)行調(diào)制)[1]
TDTR是一種使用超快脈沖激光器的非接觸式熱導(dǎo)測(cè)量技術(shù)告匠。由一束泵浦脈沖激光聚焦照射至樣品表面，樣品對(duì)其吸收會(huì)導(dǎo)致樣品表面的溫度偏移凫海。而探測(cè)光脈沖相對(duì)于泵浦脈沖具有固定的延遲時(shí)間男娄，而且該延遲時(shí)間是由機(jī)械平移臺(tái)控制行贪，通過改變光程來控制泵浦脈沖和探測(cè)脈沖間的延遲時(shí)間，由于熱反射效應(yīng)導(dǎo)致照射至其上的探測(cè)光脈沖受溫度偏移的影響(如圖2中所示)模闲，其中包含樣品的熱物性信息建瘫。
圖2：橫軸為時(shí)間軸其中(a)經(jīng)過調(diào)制器調(diào)整后的泵浦脈沖尸折；(b)為樣品收到泵浦影響的表面溫度變化啰脚；(c)探測(cè)光脈沖，與泵浦光脈沖之間有一延遲实夹；(d)由樣品反射的探測(cè)光的信號(hào)[2]
此外針對(duì)于測(cè)量面內(nèi)熱導(dǎo)率的空間域熱反射率(SDTR)可以測(cè)量1到2000 W/(m·K)范圍內(nèi)小尺度橫向各向異性的熱導(dǎo)率張量橄浓。與其他的泵浦探針技術(shù)相比，這種新的SDTR方法不需要表征各種非熱相移荸实，因此更容易實(shí)現(xiàn)缴淋，也更不容易在采集的信號(hào)中出現(xiàn)誤差准给。與TDTR和FDTR不同的是，泵浦激光經(jīng)頻率調(diào)制后聚焦在樣品表面對(duì)樣品進(jìn)行周期性加熱重抖，而探測(cè)光則用來探測(cè)相對(duì)于泵浦激光中心一定方向和距離的
的熱反射信號(hào)露氮，其中是通過調(diào)節(jié)分色鏡的角度可以改變泵浦光斑和探測(cè)光斑在樣品表面上的相對(duì)位置，得到的相對(duì)于
的相位和幅值信號(hào)如圖3中所示钟沛。
圖3：SDTR實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)示意圖(a)為歸一化相位
和(b)歸一化幅值
畔规。
因該SDTR方法獲得的信號(hào)對(duì)基底的平面內(nèi)熱擴(kuò)散系數(shù)
特別敏感(
為特定方向的面內(nèi)熱到凌晨，C為體積熱容)讹剔，但對(duì)其他參數(shù)不敏感油讯，所以實(shí)驗(yàn)測(cè)量中详民，采用鎖相放大器記錄溫度響應(yīng)的幅值和相位信號(hào)隨樣品表面泵浦和探測(cè)光斑的相對(duì)偏移距離
的變化沈跨。與傳統(tǒng)交流量熱法類似兔综，溫度響應(yīng)的相位信號(hào)或幅值信號(hào)的對(duì)數(shù)值In N對(duì)偏移距離的斜率直接與
相關(guān)饿凛，從而可以獲得樣品的面內(nèi)熱擴(kuò)散率
。
簡單介紹了通過熱反射測(cè)試方法的時(shí)域熱反射法和空間域熱反射法對(duì)小尺寸薄膜樣品熱物性測(cè)量的方法软驰。
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相關(guān)文獻(xiàn)：
[1] Regner, K. T. , Majumdar, S. , & Malen, J. A. . (2013). Review of Scientific Instruments, 84(6), 163.
[2] Schmidt, A. J. , Chen, X. , & Chen, G. . (2008). Review of Scientific Instruments, 79(11), 285.
[3] Jiang, P. , Wang, D. , Xiang, Z. , Yang, R. , & Ban, H. . (2022). International Journal of Heat and Mass Transfer, 191, 122849.
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