CN109557129B - 一种薄膜热扩散系数的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄膜热扩散系数的测量方法，包括：1、在待测薄膜与辅助薄膜间设置一层金属电极后将两薄膜相贴合组成待测样品，在待测样品的两侧再分别设置一层金属电极；2、对待测薄膜两侧的金属电极施加直流电场，同时用脉冲激光对位于待测薄膜一侧的金属电极垂直击打；3、采集脉冲激光在待测样品中产生的位移电流；4、将位移电流的时域信号变换到复频域，得到待测样品内电场‑频率的关系曲线，选取曲线上分界面处的频率，再结合薄膜厚度计算得到热扩散系数。与现有技术相比，本发明只需要通过热脉冲法得到薄膜样品的位移电流，经过傅里叶变换后找到转折频率点就可以计算得到待测样品的热扩散系数，具有操作简单、计算方便的优点。

Description

一种薄膜热扩散系数的测量方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料热物理性质测试技术领域，尤其是涉及一种薄膜热扩散系数的测量方法。

背景技术

随着近年来电子器件向着高速、低功耗、高集成度的方向飞速发展，薄膜的热传导问题显得十分重要。薄膜材料在微纳米尺度下的应用不可或缺，薄膜材料的热导率直接影响器件的散热性能，进而对其可靠性以及运行速度也会有较大的影响。多层结构的微纳米级材料中界面间的热传导也较为重要，其中声子在界面中的无序散射对热传导的影响较为突出。因此，研究薄膜热物理性质对于电容器件的制造以及集成电路的设计等都很重要。

薄膜热扩散系数测量有多种方法。按照加热方式分类有电加热以及激光加热，电加热法通常需在待测薄膜表面镀金属电极，激光加热通过激光聚焦样品表面引起样品表面的升温。按照加热装置以及测温装置跟待测薄膜的距离，可以分为接触式以及非接触式测量，接触式测量一般需考虑界面热导。由于温度和热流不能通过相关的仪器直接测出，需要借助相关的量进行转化，因此，其测量过程一直比较复杂。薄膜材料的热导率测量方法目前主要有3ω法、拉曼光谱法、激光反射法、微桥法、悬膜法、扫描热显微镜法，但是这些方法都有各自的缺陷，例如测量的样品材料不能太薄，就不能满足薄膜的测量，有些方法的测量难度较大，难以应用到实际的生产当中。虽然聚合物薄膜应用十分广泛，但测量薄膜热扩散系数的方法还有较大的困难。本领域尚缺乏简单的测量薄膜材料热扩散系数的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种薄膜热扩散系数的测量方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种薄膜热扩散系数的测量方法，包括以下步骤：

S1、选取厚度是待测薄膜厚度的2～4倍的另一薄膜作为辅助薄膜，在待测薄膜与辅助薄膜间设置一层金属电极后将两薄膜相贴合组成待测样品，在待测样品的两侧再分别设置一层金属电极；

S2、对待测薄膜两侧的金属电极施加直流电场，同时用脉冲激光对待测样品两侧中位于待测薄膜一侧的金属电极垂直击打；

S3、通过示波器采集脉冲激光在待测样品中产生的位移电流；

S4、将位移电流的时域信号变换到复频域，利用尺度变换法得到待测样品内电场-频率的关系曲线，选取曲线上分界面处的频率，再结合薄膜厚度计算得到热扩散系数。

优选的，所述步骤S2中对待测薄膜两侧的金属电极施加直流电场的过程具体包括：将待测样品两侧中位于待测薄膜一侧的金属电极接地，两个薄膜中间的金属电极连接直流电压源。

优选的，所述步骤S3具体包括：待测样品两侧中位于辅助薄膜一侧的金属电极依次通过隔直电容、保护电路和放大器连接示波器，由所述示波器采集脉冲激光在待测样品中产生的位移电流。

优选的，所述隔直电容和保护电路之间设有开关。

优选的，所述开关为单刀双掷开关，所述单刀双掷开关的不动端与隔直电容连接，动端分别与保护电路或地连接；

在步骤S3中先将所述动端连接地并检测待测样品两侧是否有电流通过，若无，则将动端连接保护电路，由所述示波器采集脉冲激光在待测样品中产生的位移电流。

优选的，所述步骤S4中选取的曲线上分界面处的频率具体为f_aver：

其中，f_max表示曲线中的上限转折频率，f_min表示曲线中的下限转折频率。

优选的，所述步骤S4中热扩散系数的计算公式为：

D＝πf_averz²

其中，f_aver表示选取的曲线上分界面处的频率，z表示待测薄膜的厚度。

优选的，所述待测薄膜与辅助薄膜具体采用热贴合方式贴合。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本方法只需要通过热脉冲法得到薄膜样品的位移电流，经过傅里叶变换后，找到转折频率点就可以计算得到待测样品的热扩散系数，具有操作简单、计算方便的优点。

2、通过两层薄膜之间的金属电极施加电场，对两层薄膜更容易产生数值不等的均匀电场，方便选取曲线上分界面处的频率，为数据处理过程提供便利。

3、在测量开始时，先对待测样品的安全性进行检验，即先将单刀双掷开关的动端连接地，检测待测样品两侧是否有电流通过，若无则证明待测样品安全，再将单刀双掷开关的动端连接保护电路进行正式测量，提高了测量过程的安全性。

附图说明

图1为本发明方法的测量系统示意图；

图2为实施例中测量数据处理后与仿真结果的比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本申请提出一种薄膜热扩散系数的测量方法，在对双层薄膜热扩散系数测量的过程中，需要对双层膜的中间施加一定的电压，测量出在外电场作用下，薄膜材料内部的电场分布。双层聚合物薄膜应具有不同的电阻率，则在外施直流电场下双层材料各具有数值不等的均匀电场，在薄膜双层结构的几何界面处存在电场阶跃变化。在复合薄膜中以非均匀形式传递的热量将导致热量到达处的微小位移，而引发位移电流，电流流经前置电流放大器并通过示波器记录。

本方法所用的测量系统基于热脉冲法，热脉冲法的基本原理为：当光脉冲作用于薄膜上金属化电极表面时，金属化电极表面吸收部分光脉冲能量后转化为热脉冲，热脉冲沿光入射方向向复合薄膜内部传播，在样品厚度远小于样品横向尺寸的情况下，热量在样品中的传播遵循一维热传导方程。

测量系统如图1所示，包括1/9分束镜、直流电压源(HVDC)、电流放大器、示波器、脉冲激光器和光电二极管。电流放大器的输出与示波器连接，电流放大器输入端设有保护电路。光电二极管与示波器连接，用于感应脉冲激光信号，从而作为测量信号的触发装置。图1中的电阻R是保护电阻，主要用于保护放大器，使得在样品被击穿短路的情况下流至测量设备的电流不至于过大。电容C是隔直电容，由于实验中使用的是电流放大器，所以为了保证样品是一个电流源，要求电容C比样品电容大20倍以上，本实施例回路中选择的电C的电容值是20nF。隔直电容和保护电路之间设有单刀双掷开关，单刀双掷开关的不动端与隔直电容连接，动端分别与保护电路或地连接。在测量开始时，先对待测样品的安全性进行检验，即先将单刀双掷开关的动端连接地，检测待测样品两侧是否有电流通过，若无则证明待测样品安全，可以进行测量，再将单刀双掷开关的动端连接保护电路，进行正式测量，若有电流通过则需要更换待测样品。本测量系统中电流放大器的输入电阻小于10Ω，放大器的带宽从直流DC到交流300kHz，增益是2×10⁶V/A。示波器采用数字滤波器。

在测量系统中，除了外部的测量线路，还需要一个屏蔽效果良好的屏蔽盒，如图1所示。

本测量方法包括以下步骤：

S1、选取厚度是待测薄膜厚度的2～4倍的另一薄膜作为辅助薄膜，在待测薄膜与辅助薄膜间设置一层金属电极后将两薄膜相贴合组成待测样品，在待测样品的两侧再分别设置一层金属电极；

S2、对待测薄膜两侧的金属电极施加直流电场，同时用脉冲激光对待测样品两侧中位于待测薄膜一侧的金属电极垂直击打，本实施例中，脉冲激光经1/9分束镜后击打待测样品；

S3、通过示波器采集脉冲激光在待测样品中产生的位移电流；

S4、将位移电流的时域信号变换到复频域，利用尺度变换法得到待测样品内电场-频率的关系曲线，选取曲线上分界面处的频率，再结合薄膜厚度计算得到热扩散系数。

待测样品需要通过双层薄膜制备设备制作，将待测薄膜镀一层金属膜并与另一个薄膜采用热贴合方式组成待测样品。被贴合的辅助薄膜的厚度是待测薄膜厚度的2～4倍，材料可以与待测薄膜相同或不同，可选的薄膜材料如双向拉伸聚丙烯(BOPP)、聚乙烯薄膜(PE)、聚氟乙烯(PVF)等，将两个薄膜快速升温并施加一定的压力压制成双层材料。待测样品中，微小的颗粒会对实验有很大的影响，所以样品的热贴合过程中需要一个接近无尘的环境，使用洁净工作台可以达到这一要求，两种薄膜之间没有掺入其他物质，保证两种材料紧密贴合。两种薄膜具有不同的电阻率，从而能提取出电场分界面处的频率点。本实施例使用的是电阻率相差较大的两种材料进行压制，分别是9.8微米的双向拉伸聚丙烯和25微米的聚氟乙烯，以聚丙烯作为待测薄膜，待测样品总厚度为34.8μm。两种薄膜材料中，聚丙烯薄膜使用的是法国BOLLORE公司生产的双向拉伸聚丙烯商品薄膜，聚氟乙烯薄膜使用的是TEDLAR(杜邦)公司生产的聚氟乙烯薄膜。

步骤S1中可通过热蒸发或磁控溅射金属化待测样品的中间面和两个外侧面，分别作为电极和激光靶。金属电极可以采用铝、金、银等导电性能较好的金属，在镀层厚度尽可能薄的情况下，要保证电极对于测量使用的激光波长不透光。本实施例中，在压制后的待测样品的双面用Scancoat Six镀膜仪溅射不透明的金属铝电极，电极厚度大约为180nm，直径为5mm。

步骤S2中对待测样品两侧的金属电极施加直流电场具体包括：将待测样品两侧中位于待测薄膜一侧的金属电极接地，两个薄膜中间的金属电极连接直流电压源。本实施例中，施加的直流电场平均为10kV/mm，实际还可以更高或者更低，以具备合适的信噪比和没有电荷注入为标准。本实施例中，使用频率为10Hz的脉冲激光垂直击打待测薄膜层侧的金属电极表面，脉冲激光由激光器(Continuum SureliteⅡ-10)提供，脉冲激光的波长为1064nm，脉冲宽度为6ns，利用能量衰减装置将激光脉冲的能量调整至1.13～2.3mJ左右，可以使金属电极在多次脉冲激光打击下不受到损坏，而且信号幅值不至于太小，信噪比较好。脉冲激光的部分能量被金属靶吸收后转化为热脉冲波并在待测样品内沿入射方向传播，传播途径的各位置依次产生热形变，从而产生位移电流，利用示波器记录此位移电流。

步骤S3具体包括：先将单刀双掷开关的动端连接地并检测待测样品两侧是否有电流通过，若无则将动端连接保护电路，由示波器采集脉冲激光在待测样品中产生的位移电流。

步骤S4中尺度变化法具体为将位移电流的实部和虚部相减，得到的电场-频率关系曲线中有两个特征转折频率点，待测样品的电场分界面处于上限转折频率f_max和下限转折频率f_min之间，取：

热扩散系数D的计算方法由尺度变换法的公式导出，具体为：

D＝πf_averz²

其中，z表示待测薄膜的厚度，是已知的。

通过多次测量并计算，取一个平均值，最终得到待测薄膜的平均热扩散系数D。可通过以下关系式计算获得热导率k：

k＝Dρc

其中，ρ为材料的密度，c为材料的比热容。

本实施例的电场-频率关系曲线如图2所示，从图2中可以看出曲线中有明显的转折点，选取频率f_aver后，由于待测薄膜样品厚度已知，可以计算得到待测薄膜的热扩散系数。图2中的频率f_aver约为387.5Hz，待测薄膜的厚度为9.8μm，计算得到待测薄膜的热扩散系数为1.1691×10^-7m²·s^-1，与文献参考值9.5×10^-8m²·s^-1十分接近。

在多组对照试验结果中，还测量了5.8μm、3.8μm的聚丙烯材料，因为厚度变薄，热扩散系数不变，可以看到转折点向右移动，也就是向高频方向移动，与实际情况相符。

Claims (6)

1.一种薄膜热扩散系数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取厚度是待测薄膜厚度的2～4倍的另一薄膜作为辅助薄膜，在待测薄膜与辅助薄膜间设置一层金属电极后将两薄膜相贴合组成待测样品，在待测样品的两侧再分别设置一层金属电极，

S2、对待测薄膜两侧的金属电极施加直流电场，同时用脉冲激光对待测样品两侧中位于待测薄膜一侧的金属电极垂直击打，

S3、通过示波器采集脉冲激光在待测样品中产生的位移电流，

S4、将位移电流的时域信号变换到复频域，利用尺度变换法得到待测样品内电场-频率的关系曲线，选取曲线上分界面处的频率，再结合薄膜厚度计算得到热扩散系数；

所述步骤S4中选取的曲线上分界面处的频率具体为f_aver：

其中，f_max表示曲线中的上限转折频率，f_min表示曲线中的下限转折频率；

所述步骤S4中热扩散系数的计算公式为：

D＝πf_averz²

其中，f_aver表示选取的曲线上分界面处的频率，z表示待测薄膜的厚度。

2.根据权利要求1所述的一种薄膜热扩散系数的测量方法，其特征在于，所述步骤S2中对待测薄膜两侧的金属电极施加直流电场的过程具体包括：将待测样品两侧中位于待测薄膜一侧的金属电极接地，两个薄膜中间的金属电极连接直流电压源。

3.根据权利要求1所述的一种薄膜热扩散系数的测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：待测样品两侧中位于辅助薄膜一侧的金属电极依次通过隔直电容、保护电路和放大器连接示波器，由所述示波器采集脉冲激光在待测样品中产生的位移电流。

4.根据权利要求3所述的一种薄膜热扩散系数的测量方法，其特征在于，所述隔直电容和保护电路之间设有开关。

5.根据权利要求4所述的一种薄膜热扩散系数的测量方法，其特征在于，所述开关为单刀双掷开关，所述单刀双掷开关的不动端与隔直电容连接，动端分别与保护电路或地连接；

在步骤S3中先将所述动端连接地并检测待测样品两侧是否有电流通过，若无，则将动端连接保护电路，由所述示波器采集脉冲激光在待测样品中产生的位移电流。

6.根据权利要求1所述的一种薄膜热扩散系数的测量方法，其特征在于，所述待测薄膜与辅助薄膜具体采用热贴合方式贴合。

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