本發(fā)明涉及材料熱物性測量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于熱反射法的亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法。

背景技術(shù)：

1、由厚度為幾納米到幾百納米的薄膜組成的多層堆疊材料被廣泛用于發(fā)光二極管和太陽能電池等器件中。這些器件中的產(chǎn)熱將導(dǎo)致器件工作溫度上升，降低設(shè)備性能，甚至縮短設(shè)備壽命。因此，測量多層堆疊材料中的總熱阻具有至關(guān)重要的意義。然而，由于總厚度處于亞微米級，難以使用穩(wěn)態(tài)法或瞬態(tài)平面熱源法等常用于塊體材料熱導(dǎo)率測量的方法測量其總熱阻。同時，多層堆疊材料中眾多層間界面熱導(dǎo)未知，難以使用、時域熱反射法和頻域熱反射法等常用于薄膜材料熱導(dǎo)率測量的方法直接測量。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有的多層堆疊材料總熱阻測量手段的缺失，本發(fā)明提出一種基于熱反射法的亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法，該方法基于低頻下堆疊材料參數(shù)間的耦合關(guān)系，將堆疊材料視作單一等價層，擬合等價熱導(dǎo)率和等價體積比熱，由等價熱導(dǎo)率和總厚度直接計算堆疊材料總熱阻。本方法的方法所需的堆疊材料的參數(shù)僅為其總厚度，易于使用，是發(fā)光二極管和太陽能電池等中堆疊材料總熱阻的理想測量手段。

2、本發(fā)明的目的通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、一種基于熱反射法的亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法，該方法包括如下步驟：

4、步驟一：將總厚度為亞微米級的多層堆疊材料生長在基底上或轉(zhuǎn)移到基底上，且在所述多層堆疊材料的上表面鍍一層金作為傳輸層，得到測試樣品；

5、步驟二：使用泵浦光調(diào)制頻率范圍為100?hz?-105?hz的頻域熱反射法平臺測量所述測試樣品，采集一系列頻率點(diǎn)下的探測光與泵浦光間的相位差信號；

6、步驟三：將多層堆疊材料視作由等價熱導(dǎo)率keq、等價體積比熱ceq和總厚度ltot描述的單層的等價層，給定等價熱導(dǎo)率keq、等價體積比熱ceq的初始值，使用多層導(dǎo)熱模型，對步驟二中測得的一系列頻率點(diǎn)下的相位差信號進(jìn)行非線性擬合，通過迭代過程不斷改變keq、ceq的數(shù)值，選取相位差的測量值和由多層導(dǎo)熱模型計算的理論值間均方誤差最小時的keq作為最終的等價熱導(dǎo)率；

7、步驟四：計算多層堆疊材料的總厚度和步驟三得到的最終的等價熱導(dǎo)率的比值，即為堆疊材料總熱阻。

8、進(jìn)一步地，所述步驟一中，所述多層堆疊材料的上表面鍍的金的厚度為70~120nm。

9、進(jìn)一步地，所述基底的熱導(dǎo)率大于30?w/(m·k)。

10、進(jìn)一步地，所述步驟三中，所述多層導(dǎo)熱模型描述相位差和泵浦光調(diào)制頻率以及樣品體系參數(shù)之間的關(guān)系，具體表達(dá)式如下：

11、；

12、；

13、；

14、；

15、其中，為測試樣品表面溫升，a為溫升幅值，為相位差，為泵浦光調(diào)制頻率，為加熱激光功率，為漢克爾變換參數(shù)，和分別是測試樣品上表面溫度和熱流密度，r為激光有效光斑半徑；和分別代表所述基底下表面溫度和熱流密度；分別為表示基底、等價層和傳輸層的關(guān)系矩陣，分別為矩陣對應(yīng)位置的元素；三者均由下式表示：

16、

17、其中，i為n，eq或1，分別表示基底，等價層和傳輸層；li為厚度，ki為熱導(dǎo)率，ci為體積比熱，qi為中間變量，j為虛數(shù)單位。

18、進(jìn)一步地，所述步驟三中的非線性擬合為最小二乘法擬合。

19、進(jìn)一步地，所述基底選自藍(lán)寶石、硅、碳化硅中的任意一種。

20、進(jìn)一步地，聚焦在所述測試樣品的傳輸層表面的泵浦光和探測光的光斑半徑幾何平均值不小于10?μm。

21、一種實現(xiàn)亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法的頻域熱反射法平臺，該平臺包括泵浦激光器、探測激光器、電光調(diào)制器、光束采樣器、1/2玻片、偏振分束器、1/4玻片、物鏡、樣品臺和平衡探測器；所述泵浦激光器發(fā)出的泵浦光經(jīng)所述電光調(diào)制器調(diào)制為強(qiáng)度正弦變化的激光后，依次經(jīng)所述光束采樣器、1/2玻片、偏振分束器、1/4玻片，最后經(jīng)所述物鏡聚焦在所述測試樣品上；所述探測激光器發(fā)出的探測光依次經(jīng)由所述光束采樣器、1/2玻片、偏振分束器、1/4玻片、物鏡照射于所述測試樣品的與泵浦光相同的位置；

22、所述泵浦光和探測光的相位都由所述平衡探測器采集，然后經(jīng)鎖相放大器記錄。

23、本發(fā)明的有益效果如下：

24、（1）本發(fā)明的基于熱反射法的亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法，擬合時僅需堆疊材料的總厚度，測量方法簡單易用；

25、（2）本發(fā)明保留了頻域熱反射法高時空分辨率、非接觸測量、樣品制備簡單的優(yōu)勢；

26、（3）本發(fā)明能夠用于led和太陽能電池工作狀態(tài)下的總熱阻測量。

技術(shù)特征：

1.一種基于熱反射法的亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱反射法的亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法，其特征在于，所述步驟一中，所述多層堆疊材料的上表面鍍的金的厚度為70~120?nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱反射法的亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法，其特征在于，所述基底的熱導(dǎo)率大于30?w/(m·k)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱反射法的亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法，其特征在于，所述步驟三中，所述多層導(dǎo)熱模型描述相位差和泵浦光調(diào)制頻率以及樣品體系參數(shù)之間的關(guān)系，具體表達(dá)式如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱反射法的亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法，其特征在于，所述步驟三中的非線性擬合為最小二乘法擬合。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱反射法的亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法，其特征在于，所述基底選自藍(lán)寶石、硅、碳化硅中的任意一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱反射法的亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法，其特征在于，聚焦在所述測試樣品的傳輸層表面的泵浦光和探測光的光斑半徑幾何平均值不小于10?μm。

8.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法的頻域熱反射法平臺，其特征在于，該平臺包括泵浦激光器（1）、探測激光器（2）、電光調(diào)制器（3）、光束采樣器（4）、1/2玻片（5）、偏振分束器（6）、1/4玻片（7）、物鏡（8）、樣品臺（9）和平衡探測器（10）；所述泵浦激光器（1）發(fā)出的泵浦光經(jīng)所述電光調(diào)制器（3）調(diào)制為強(qiáng)度正弦變化的激光后，依次經(jīng)所述光束采樣器（4）、1/2玻片（5）、偏振分束器（6）、1/4玻片（7），最后經(jīng)所述物鏡（8）聚焦在所述測試樣品上；所述探測激光器（2）發(fā)出的探測光依次經(jīng)由所述光束采樣器（4）、1/2玻片（5）、偏振分束器（6）、1/4玻片（7）、物鏡（8）照射于所述測試樣品的與泵浦光相同的位置；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種基于熱反射法的亞微米級多層堆疊材料總熱阻測量方法，先將多層堆疊材料生長在基底或轉(zhuǎn)移到基底上，并在其上表面鍍一層金作為傳輸層；然后使用頻域熱反射法平臺測量測試樣品，采集100?Hz?10<supgt;5</supgt;Hz范圍內(nèi)一系列頻率點(diǎn)下的探測光與泵浦光間的相位差；然后將多層堆疊材料視作由等價熱導(dǎo)率k<subgt;eq</subgt;、等價體積比熱C<subgt;eq</subgt;和總厚度L<subgt;tot</subgt;描述的單層等價層，給定k<subgt;eq</subgt;、C<subgt;eq</subgt;的初始值，使用多層導(dǎo)熱模型，對測得的相位差進(jìn)行非線性擬合，不斷改變k<subgt;eq</subgt;、C<subgt;eq</subgt;，經(jīng)過多次迭代后，選取相位差的測量值和理論值間均方誤差最小時的k<subgt;eq</subgt;作為最終的等價熱導(dǎo)率，最后用L<subgt;tot</subgt;與等價熱導(dǎo)率的比值作為堆疊材料總熱阻。本發(fā)明數(shù)據(jù)處理過程中僅需堆疊材料的總厚度，測量方法簡單易用。

技術(shù)研發(fā)人員：王偉烈,涂敬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19