CN109030414A - 用于测量薄膜材料相变温度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量薄膜材料相变温度的装置，包括衬底、电极、红外温度探测器、激光光源、多普勒探测器、飞秒脉冲激光光源；衬底用于铺设待测薄膜，电极置于待测薄膜上，红外温度探测器监测待测薄膜的温度；激光光源向待测薄膜表面斜射探测光，飞秒脉冲激光光源向同一入射点垂直射入飞秒激光脉冲，从而在薄膜内产生声波，使探测光在待测薄膜表面的反射光引起多普勒频移，多普勒探测器用于探测该反射光的多普勒频移信号。本发明测量装置及方法利用飞秒激光诱导薄膜产生声波，利用薄膜晶态和非晶态之间折射率的差异，反应声波在一定厚度薄膜内传播一个来回的时间差异，通过多普勒探测器探测反射光的多普勒频移信号，具有快速、无损测量的优点。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜热性能检测技术领域，具体涉及一种用以检测薄膜相变材料的相变温度的测量装置及方法。
背景技术
近年来，非易失性存储(NVM)技术在许多方面都取得了一些重大的进展，为计算机系统的存储能效提升带来了新的契机，研究者们建议采用新型NVM技术来替代传统的存储技术，以适应计算机技术发展对高存储能效的需求。以相变存储器为代表的多种新型NVM技术因具备高集成度、低功耗等特点而受到国内外研究者的广泛关注。相变存储器就是利用相变材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据的，其通常是利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据的一种信息存储装置。相变温度是表征相变材料性能的关键参数之一，能准确获得薄膜材料的相变温度将直接有助于相变存储器的研究和发展。
目前常用的材料相变温度测量方法主要为差热分析法(DSC)和变温X射线衍射，前者需将薄膜样品刮成粉末状，属于破坏性测量，并且对薄膜厚度有一定要求，较薄的薄膜无法测量；后者则测量精度有限，高温薄膜的测量误差较大，且无法进行连续、瞬态测量。因此研发出一种能准确、快速地测量薄膜相变温度的装置及方法将有助于相变存储器的研究和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种用于测量薄膜材料相变温度的装置及方法，它基于激光诱导声波，通过不同折射率薄膜中声波传播速度不同来监测薄膜在晶态和非晶态之间的转变，具有快速、无损测量的特点，特别适用于非透明薄膜的测量。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种用于测量薄膜材料相变温度的装置，包括衬底、电极、红外温度探测器、激光光源、多普勒探测器、飞秒脉冲激光光源；所述衬底用于铺设待测薄膜，所述电极置于待测薄膜上，用于加热待测薄膜，红外温度探测器用于监测待测薄膜的温度；所述激光光源和多普勒探测器对称安装于待测薄膜的上方，所述激光光源向待测薄膜表面斜射探测光，所述飞秒脉冲激光光源向同一入射点垂直射入飞秒激光脉冲，从而在薄膜内产生声波，使探测光在待测薄膜表面的反射光引起多普勒频移，所述多普勒探测器用于探测该反射光的多普勒频移信号。
上述方案中，所述激光光源为连续激光光源。
上述方案中，所述激光光源为皮秒脉冲激光光源，入射光为皮秒激光脉冲，皮秒激光脉冲与飞秒激光脉冲的频率相等，且同时作用到待测薄膜表面。
上述方案中，所述飞秒激光脉冲的作用频率根据所述电极的加热功率确定，加热功率越大则飞秒激光脉冲的作用频率越高，多普勒探测器的采样频率至少大于五倍的飞秒激光脉冲频率。
上述方案中，所述电极为矩形，矩形电极内待测薄膜面积大于飞秒激光光斑和探测激光光斑。
上述方案中，所述飞秒脉冲激光光源的正下方设置透镜，用于聚焦光源，让能量更集中。
本发明还提出一种用于测量薄膜材料相变温度的方法，该方法利用上述用于测量薄膜材料相变温度的装置的进行，包括以下步骤：
S1、在衬底上沉积待测薄膜，在待测薄膜表面涂一层光刻胶，采用光刻加刻蚀工艺在光刻胶上光刻形成图案，然后溅射沉积电极到图案里面，洗掉光刻胶，剩下的即为电极，保证电极内待测薄膜面积大于飞秒激光光斑和探测激光光斑；
S2、通过激光光源向电极圈内待测薄膜表面斜射探测光，并通过飞秒脉冲激光光源向同一入射点垂直射入飞秒激光脉冲，通过多普勒探测器获得探测光的反射光的相邻间距稳定的频移信号；
S3、给待测薄膜表面的电极通电，加热待测薄膜升温，通过红外温度探测器获得待测薄膜的实时温度，在此过程中根据电极的加热功率相应调整激光脉冲的作用频率及多普勒探测器的采样频率；
S4、当待测薄膜由晶态转变为非晶态时，待测薄膜折射率发生变化，多普勒探测器的频移信号间距将发生改变，记录此时的薄膜温度即为其相变温度。
上述方法中，步骤S1中制备的电极为矩形电极。
上述方法中，步骤S2中，若探测光采用连续激光，则一直照射入射点；若探测光采用皮秒激光脉冲，则将皮秒激光脉冲与飞秒激光脉冲设置为同频率，且同时作用到待测薄膜表面。
上述方法中，步骤S3中，电极的加热功率越大则飞秒激光脉冲的作用频率越高，多普勒探测器的采样频率至少大于五倍的飞秒激光脉冲频率。
本发明的有益效果在于：
本发明的测量装置和方法利用飞秒激光诱导薄膜产生声波，利用薄膜晶态和非晶态之间折射率的差异，反应声波在一定厚度薄膜内传播一个来回的时间差异，通过多普勒探测器探测反射光的多普勒频移信号。当薄膜在电极加热作用下由晶态变为非晶态时多普勒探测器的频移信号间距将发生改变，记录此时的薄膜温度即为其相变温度，此方法具有快速、无损测量的优点。
对于不透明的薄膜，特别是较厚的金属薄膜，一般的光学方法难以穿透，从而难以获得其相变信息，因此本发明所提出的测量装置特别适用于不透明薄膜的相变温度测量。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明用于测量薄膜材料相变温度的装置的主视图；
图2是图1所示用于测量薄膜材料相变温度的装置的电极平面示意图。
图中：10、衬底；20、电极；30、红外温度探测器；40、激光光源；50、多普勒探测器；60、飞秒脉冲激光光源；70、透镜；200、待测薄膜。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-2所示，为本发明一较佳实施例的用于测量薄膜材料相变温度的装置，包括衬底10、电极20、红外温度探测器30、激光光源40、多普勒探测器50、飞秒脉冲激光光源60。衬底10用于铺设待测薄膜200，电极20置于待测薄膜200上，用于加热待测薄膜200，红外温度探测器30用于监测待测薄膜200的温度。激光光源40和多普勒探测器50对称安装于待测薄膜200的上方，激光光源40向待测薄膜200表面斜射探测光，飞秒脉冲激光光源60向同一入射点垂直射入飞秒激光脉冲，从而在薄膜内产生声波，使探测光在待测薄膜200表面的反射光引起多普勒频移，多普勒探测器50用于探测该反射光的多普勒频移信号。
飞秒激光脉冲垂直作用到待测薄膜200表面后，使其发生热膨胀产生热应力，进而产生向下传播的声波，并传播至待测薄膜200与衬底10界面后反射回到待测薄膜200表面，随后继续在待测薄膜200内往返传播直至衰减消失。用另一路激光作为探测光，与飞秒激光脉冲作用于同一点，当声波传播至薄膜表面时，薄膜表面产生的震动将对探测光在薄膜表面的反射光引起多普勒频移。当薄膜处于一种状态不发生改变时，多普勒探测器50所探测到的相邻多普勒频移信号的时间间隔是固定的。当对薄膜进行加热使其从晶态变化为非晶态时，折射率发生改变，声波的传播速度也发生改变，所探测到的多普勒频移信号时间间隔也将发生改变，此时对应的薄膜温度即为其相变温度。对于不透明的薄膜，特别是较厚的金属薄膜，一般的光学方法难以穿透，从而难以获得其相变信息，因此本发明所提出的测量装置特别适用于不透明薄膜的相变温度测量。
进一步优化，本实施例中，激光光源40为连续激光光源40，采用连续激光作为探测光时，可以一直照射入射点。
进一步优化，本实施例中，激光光源40为皮秒脉冲激光光源40，入射光为皮秒激光脉冲，采用皮秒激光脉冲作为探测光时，皮秒激光脉冲与飞秒激光脉冲的频率相等，且同时作用到待测薄膜200表面。
进一步优化，本实施例中，飞秒激光脉冲的作用频率根据电极20的加热功率确定，加热功率越大则飞秒激光脉冲的作用频率越高，多普勒探测器50的采样频率至少大于五倍的飞秒激光脉冲频率。
进一步优化，本实施例中，电极20为矩形，矩形电极20内待测薄膜200面积大于飞秒激光光斑和探测激光光斑。
进一步优化，本实施例中，飞秒脉冲激光光源60的正下方设置透镜70，用于聚焦光源，让能量更集中。
本发明还提出了一种用于测量薄膜材料相变温度的方法，该方法利用上述用于测量薄膜材料相变温度的装置的进行，包括以下步骤：
S1、在衬底10上沉积待测薄膜200，在待测薄膜200表面涂一层光刻胶，采用光刻加刻蚀工艺在光刻胶上光刻形成图案，然后溅射沉积电极20到图案里面，洗掉光刻胶，剩下的即为电极20，保证电极20内待测薄膜200面积大于飞秒激光光斑和探测激光光斑；
S2、通过激光光源40向电极20圈内待测薄膜200表面斜射探测光，并通过飞秒脉冲激光光源60向同一入射点垂直射入飞秒激光脉冲，通过多普勒探测器50获得探测光的反射光的相邻间距稳定的频移信号，并实时监测；
S3、给待测薄膜200表面的电极20通电，加热待测薄膜200升温，通过红外温度探测器30获得待测薄膜200的实时温度，在此过程中根据电极20的加热功率相应调整激光脉冲的作用频率及多普勒探测器50的采样频率；
S4、当待测薄膜200由晶态转变为非晶态时，待测薄膜200折射率发生变化，多普勒探测器50的频移信号间距将发生改变，记录此时的薄膜温度即为其相变温度。
进一步优化，本实施例中，步骤S1中制备的电极20为矩形电极20。
进一步优化，本实施例中，若探测光采用连续激光，则一直照射入射点；若探测光采用皮秒激光脉冲，则将皮秒激光脉冲与飞秒激光脉冲设置为同频率，且同时作用到待测薄膜200表面。
进一步优化，本实施例中，步骤S3中，电极20的加热功率越大则飞秒激光脉冲的作用频率越高，多普勒探测器50的采样频率至少大于五倍的飞秒激光脉冲频率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种用于测量薄膜材料相变温度的装置，其特征在于，包括衬底、电极、红外温度探测器、激光光源、多普勒探测器、飞秒脉冲激光光源；所述衬底用于铺设待测薄膜，所述电极置于待测薄膜上，用于加热待测薄膜，红外温度探测器用于监测待测薄膜的温度；所述激光光源和多普勒探测器对称安装于待测薄膜的上方，所述激光光源向待测薄膜表面斜射探测光，所述飞秒脉冲激光光源向同一入射点垂直射入飞秒激光脉冲，从而在薄膜内产生声波，使探测光在待测薄膜表面的反射光引起多普勒频移，所述多普勒探测器用于探测该反射光的多普勒频移信号。
2.根据权利要求1所述的用于测量薄膜材料相变温度的装置，其特征在于，所述激光光源为连续激光光源。
3.根据权利要求1所述的用于测量薄膜材料相变温度的装置，其特征在于，所述激光光源为皮秒脉冲激光光源，入射光为皮秒激光脉冲，皮秒激光脉冲与飞秒激光脉冲的频率相等，且同时作用到待测薄膜表面。
4.根据权利要求3所述的用于测量薄膜材料相变温度的装置，其特征在于，所述飞秒激光脉冲的作用频率根据所述电极的加热功率确定，加热功率越大则飞秒激光脉冲的作用频率越高，多普勒探测器的采样频率至少大于五倍的飞秒激光脉冲频率。
5.根据权利要求1所述的用于测量薄膜材料相变温度的装置，其特征在于，所述电极为矩形，矩形电极内待测薄膜面积大于飞秒激光光斑和探测激光光斑。
6.根据权利要求1所述的用于测量薄膜材料相变温度的装置，其特征在于，所述飞秒脉冲激光光源的正下方设置透镜，用于聚焦光源，让能量更集中。
7.一种用于测量薄膜材料相变温度的方法，其特征在于，该方法利用权利要求1所述的用于测量薄膜材料相变温度的装置的进行，包括以下步骤：
S1、在衬底上沉积待测薄膜，在待测薄膜表面涂一层光刻胶，采用光刻加刻蚀工艺在光刻胶上光刻形成图案，然后溅射沉积电极到图案里面，洗掉光刻胶，剩下的即为电极，保证电极内待测薄膜面积大于飞秒激光光斑和探测激光光斑；
S2、通过激光光源向电极圈内待测薄膜表面斜射探测光，并通过飞秒脉冲激光光源向同一入射点垂直射入飞秒激光脉冲，通过多普勒探测器获得探测光的反射光的相邻间距稳定的频移信号；
S3、给待测薄膜表面的电极通电，加热待测薄膜升温，通过红外温度探测器获得待测薄膜的实时温度，在此过程中根据电极的加热功率相应调整激光脉冲的作用频率及多普勒探测器的采样频率；
S4、当待测薄膜由晶态转变为非晶态时，待测薄膜折射率发生变化，多普勒探测器的频移信号间距将发生改变，记录此时的薄膜温度即为其相变温度。
8.根据权利要求7所述的用于测量薄膜材料相变温度的方法，其特征在于，步骤S1中制备的电极为矩形电极。
9.根据权利要求7所述的用于测量薄膜材料相变温度的方法，其特征在于，步骤S2中，若探测光采用连续激光，则一直照射入射点；若探测光采用皮秒激光脉冲，则将皮秒激光脉冲与飞秒激光脉冲设置为同频率，且同时作用到待测薄膜表面。
10.根据权利要求7所述的用于测量薄膜材料相变温度的方法，其特征在于，步骤S3中，电极的加热功率越大则飞秒激光脉冲的作用频率越高，多普勒探测器的采样频率至少大于五倍的飞秒激光脉冲频率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: Device and method for measuring phase transition temperature of thin film materials Granted publication date: 20210511 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: WUHAN JOULE YACHT SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980003252 |