CN107153079B - 一种测量薄膜导热系数的方法 - Google Patents

一种测量薄膜导热系数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及材料领域,一种测量薄膜导热系数的方法,确定待测薄膜厚度;测量薄膜对光的吸收率;将薄膜转移到衬底上;可见光源从衬底下方发射;可见光直接进入光电二极管,位移台在薄膜上方平面内匀速运动,光电二极管采集光信号,得二维照明光功率密度分布图;由步骤二、五得到的薄膜光吸收率及照明光功率密度,计算薄膜的区域吸收功率密度pabs;安装样品架、衬底和薄膜,水平方向移动位移台使其远离衬底,红外摄像机采集薄膜发出的红外光,并进行成像,进而得到薄膜温度分布,选取不同透孔重复测量,通过平均数据及分析得到近邻透孔中心的温度分布曲率;根据温度分布曲率、吸收功率密度pabs和薄膜厚度d,计算确定薄膜的面内导热系数k||

Description

一种测量薄膜导热系数的方法
技术领域
本发明涉及材料性质表征技术领域,特别是一种具有带孔的衬底、能够对绝对温度的测量精度的要求降低、简化实验过程的一种测量薄膜导热系数的方法。
背景技术
现有测量薄膜导热系数的方法包括拉曼频移方法、光学泵浦-探测技术等,其共同缺点是实验前的校准过程过于复杂;红外热成像技术有测量速度快的优点,但是使用红外热成像技术确定薄膜面内导热系数时通常使用埃格斯特朗方法,其缺点是对样品上照亮区域的定位精度要求较高,即需要聚焦激光束,从而会增加样品损坏的风险。所述一种测量薄膜导热系数的方法能解决这一问题。
发明内容
为了解决上述问题,本发明是用于测量薄膜的面内导热系数的红外热成像装置,通过可见光加热待测薄膜,并使用带孔的衬底作为导热槽,以使得待测薄膜产生稳态温度梯度。
本发明所采用的技术方案是:
测量薄膜导热系数的装置,包括衬底、待测薄膜、位移台、光电二极管、可见光源、红外摄像机、若干透孔、样品架和计算机,能根据实验需要移除样品架,光电二极管连接计算机,
衬底位于样品架上,待测薄膜位于衬底上面,位移台能够在待测薄膜上方一平面内移动,光电二极管连接于位移台的下面,红外摄像机固定于衬底正上方且高于位移台,可见光源位于衬底及样品架的下方,可见光源能向上照射,使衬底和待测薄膜吸收光的能量而产生热流,通过对待测薄膜的温度增量、光照能量密度、光吸收率、厚度参数的计算而得到其导热系数,若干透孔贯穿衬底且形状一致。
衬底由铜制成,衬底厚度的值为0.5毫米,当衬底上的透孔为半径R的圆形,透孔的直径范围为0.2毫米至1毫米;待测薄膜的大小范围为10×10平方微米至10×10平方毫米;光电二极管直径的值为80微米。
一种测量薄膜导热系数的方法采用所述测量薄膜导热系数的装置,步骤如下:
一.先确定待测薄膜的厚度,将待测薄膜置于一个平整的玻璃表面,使用轮廓仪测量其厚度;
二.由紫外-可见光谱实验测量待测薄膜对可见光源波长范围内的光的吸收率;
三.将待测薄膜转移到衬底上;
四.在未安装样品架及衬底的情况下,可见光源向上发射可见光,可见光源发出的光直接进入光电二极管;
五.位移台平面匀速移动,同时光电二极管采集光信号,并由计算机处理后得到二维的照明光功率密度分布图;
六.由上述步骤二中得到的薄膜的光吸收率以及步骤五中得到的照明光功率密度,计算一定热流量条件下待测薄膜的区域吸收功率密度pabs
七.安装样品架及衬底,水平方向移动位移台使其远离衬底,红外摄像机采集待测薄膜发出的红外光,并进行成像,进而得到待测薄膜的温度分布,在衬底上选取不同的透孔处重复测量,通过平均数据及分析计算,通过测量局域温度差异得到近邻透孔中心的温度分布曲率;
八.根据近邻透孔中心的温度分布曲率、待测薄膜的区域吸收功率密度pabs和待测薄膜厚度d,通过计算,确定待测薄膜的面内导热系数k||
本发明的有益效果是:
本发明通过带孔的衬底来使得待测薄膜产生温度梯度,简化了实验过程,由于温度分布曲率能够通过测量局域温度差异来得到,对绝对温度的测量精度的要求降低了。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明:
图1是本发明示意图。
图中,1.衬底,2.待测薄膜,3.位移台,4.光电二极管,5.可见光源,6.红外摄像机,7.透孔。
具体实施方式
如图1是本发明示意图,包括衬底(1)、待测薄膜(2)、位移台(3)、光电二极管(4)、可见光源(5)、红外摄像机(6)、若干透孔(7)、样品架和计算机,能根据实验需要移除样品架,光电二极管(4)连接计算机,
衬底(1)位于样品架上,待测薄膜(2)位于衬底(1)上面,位移台(3)能够在待测薄膜(2)上方一平面内移动,光电二极管(4)连接于位移台(3)的下面,红外摄像机(6)固定于衬底(1)正上方且高于位移台(3),可见光源(5)位于衬底(1)及样品架的下方,可见光源(5)能向上照射,使衬底(1)和待测薄膜(2)吸收光的能量而产生热流,通过对待测薄膜(2)的温度增量、光照能量密度、光吸收率、厚度参数的计算而得到其导热系数,若干透孔(7)贯穿衬底(1)且形状一致。
衬底(1)由铜制成,衬底(1)厚度的值为0.5毫米,当衬底(1)上的透孔(7)为半径R的圆形,透孔(7)的直径范围为0.2毫米至1毫米;待测薄膜(2)的大小范围为10×10平方微米至10×10平方毫米;光电二极管(4)直径的值为80微米。
当衬底(1)上的透孔(7)为半径R的圆形,待测薄膜(2)厚度很小,以致于能使得透孔(7)上方部分的待测薄膜(2)对光吸收是均匀的,在柱坐标系中简化为一维问题,有其中qr是热流矢量的径向分量,k||是待测薄膜(2)的面内导热系数,T(r)是温度分布,在稳态条件下,透孔(7)的圆形区域吸收的光功率等于其边缘圆周处的光功率流,从而得到r2π·pabs=2rπ·d·qr(r),其中d是待测薄膜(2)的厚度,pabs是待测薄膜(2)的区域吸收功率密度,再应用r=R处的边界条件T(r=R)=Ts得到待测薄膜(2)的温度分布/>其中r是柱坐标系中的径向变量,Ts是衬底温度。
透孔(7)上方薄膜中心处到透孔(7)边缘上方薄膜处的形状变化,受透孔(7)边界处热接触电阻的影响,导致温度分布产生一个附加的常数的偏移,这个偏移项可以包含到衬底(1)的有效温度中,因此,待测薄膜(2)的面内导热系数k||能够直接由近邻透孔中心的温度分布曲率、待测薄膜(2)的区域吸收功率密度pabs和待测薄膜(2)厚度d决定,由于近邻透孔中心的温度分布曲率能够通过测量局域温度差异来得到,能够实现对绝对温度的测量精度的要求减小了。
透孔(7)上方的待测薄膜(2)部分的热分布取决于透孔(7)的形状,衬底(1)能作为导热通道,其具有较大的导热系数以快速将多余热量传输走,使得待测薄膜(2)产生温度梯度,衬底(1)又能作为光掩膜,其反射了大部分入射光,因此即使在可见光源(5)的高光强照射下,衬底(1)温度的上升在1K之内。
一种测量薄膜导热系数的方法采用所述测量薄膜导热系数的装置,步骤如下:
一.先确定待测薄膜(2)的厚度,将待测薄膜(2)置于一个平整的玻璃表面,使用轮廓仪测量其厚度;
二.由紫外-可见光谱实验测量待测薄膜(2)对可见光源(5)波长范围内的光的吸收率;
三.将待测薄膜(2)转移到衬底(1)上;
四.在未安装样品架及衬底(1)的情况下,可见光源(5)向上发射可见光,可见光源(5)发出的光直接进入光电二极管(4);
五.位移台(3)平面匀速移动,同时光电二极管(4)采集光信号,并由计算机处理后得到二维的照明光功率密度分布图;
六.由上述步骤二中得到的薄膜的光吸收率以及步骤五中得到的照明光功率密度,计算一定热流量条件下待测薄膜(2)的区域吸收功率密度pabs
七.安装样品架及衬底(1),水平方向移动位移台(3)使其远离衬底(1),红外摄像机(6)采集待测薄膜(2)发出的红外光,并进行成像,进而得到待测薄膜(2)的温度分布,在衬底(1)上选取不同的透孔(7)处重复测量,通过平均数据及分析计算,通过测量局域温度差异得到近邻透孔中心的温度分布曲率;
八.根据近邻透孔中心的温度分布曲率、待测薄膜(2)的区域吸收功率密度pabs和待测薄膜(2)厚度d,通过计算,确定待测薄膜(2)的面内导热系数k||
以上所述的,仅为本发明的较佳实施例,并非用以限定本发明的范围,本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰,皆落入本发明专利的权利要求保护范围。
本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (1)

1.一种测量薄膜导热系数的方法,测量薄膜导热系数的装置包括衬底(1)、待测薄膜(2)、位移台(3)、光电二极管(4)、可见光源(5)、红外摄像机(6)、若干透孔(7)、样品架和计算机,能根据实验需要移除样品架,光电二极管(4)连接计算机,
衬底(1)位于样品架上,待测薄膜(2)位于衬底(1)上面,位移台(3)能够在待测薄膜(2)上方一平面内移动,光电二极管(4)连接于位移台(3)的下面,红外摄像机(6)固定于衬底(1)正上方且高于位移台(3),可见光源(5)位于衬底(1)及样品架的下方,可见光源(5)能向上照射,使衬底(1)和待测薄膜(2)吸收光的能量而产生热流,通过对待测薄膜(2)的温度增量、光照能量密度、光吸收率、厚度参数的计算而得到其导热系数,若干透孔(7)贯穿衬底(1)且形状一致;
衬底(1)由铜制成,衬底(1)厚度的值为0.5毫米,当衬底(1)上的透孔(7)为半径R的圆形,透孔(7)的直径范围为0.2毫米至1毫米;待测薄膜(2)的大小范围为10×10平方微米至10×10平方毫米;光电二极管(4)直径的值为80微米;
计算公式:其中qr是热流矢量的径向分量,k||是待测薄膜(2)的面内导热系数,T(r)是温度分布,在稳态条件下,透孔(7)的圆形区域吸收的光功率等于其边缘圆周处的光功率流,从而得到r2π·pabs=2rπ·d·qr(r),再应用r=R处的边界条件T(r=R)=Ts得到待测薄膜(2)的温度分布/>其中d是待测薄膜(2)的厚度,pabs是待测薄膜(2)的区域吸收功率密度,r是柱坐标系中的径向变量,R为透孔(7)的半径,Ts是衬底温度;
一种测量薄膜导热系数的方法采用所述测量薄膜导热系数的装置,其特征是,步骤如下:
一.先确定待测薄膜(2)的厚度,将待测薄膜(2)置于一个平整的玻璃表面,使用轮廓仪测量其厚度;
二.由紫外-可见光谱实验测量待测薄膜(2)对可见光源(5)波长范围内的光的吸收率;
三.将待测薄膜(2)转移到衬底(1)上;
四.在未安装样品架及衬底(1)的情况下,可见光源(5)向上发射可见光,可见光源(5)发出的光直接进入光电二极管(4);
五.位移台(3)平面匀速移动,同时光电二极管(4)采集光信号,并由计算机处理后得到二维的照明光功率密度分布图;
六.由上述步骤二中得到的薄膜的光吸收率以及步骤五中得到的照明光功率密度,计算一定热流量条件下待测薄膜(2)的区域吸收功率密度pabs
七.安装样品架及衬底(1),水平方向移动位移台(3)使其远离衬底(1),红外摄像机(6)采集待测薄膜(2)发出的红外光,并进行成像,进而得到待测薄膜(2)的温度分布,在衬底(1)上选取不同的透孔(7)处重复测量,通过平均数据及分析计算,通过测量局域温度差异得到近邻透孔中心的温度分布曲率;
八.根据近邻透孔中心的温度分布曲率、待测薄膜(2)的区域吸收功率密度pabs和待测薄膜(2)厚度d,通过计算,确定待测薄膜(2)的面内导热系数k||
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