CN109738414B - 激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法及系统，其中，该方法包括：加热脉冲激光按照预设周期对一维纳米线样品和基底进行加热，使一维纳米线样品和基底在预设周期内升温和冷却；在预设周期内，通过探测脉冲激光对一维纳米线样品和基底进行拉曼信号探测，根据拉曼信号的光谱峰位和温度的线性关系，获取在探测脉冲激光宽度内一维纳米线样品和基底的平均提升温度；调整探测脉冲激光与加热脉冲激光的周期偏差，获取两条一维纳米线样品和基底的温度与时间的变化曲线，对两条变化曲线进行无量纲化得到一维纳米线样品的热传导特性。该方法实现了有基底一维纳米线原位无损非接触式测量，可直接测量得到纳米线热传导特性。

Description

激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法及系统

技术领域

本发明涉及微纳米尺度热物性测试技术领域，特别涉及一种激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法及系统。

背景技术

纳米线在能源，生物，微电子和微机械等许多领域受到广泛关注。受量子效应和表面电子/声子散射的影响，纳米线的性质与体材料表现出很大差异。准确表征纳米线的热性质在实际应用中至关重要。历史上，已经开发了用于测量纳米线的热性质的接触和非接触方法。其中，接触式方法以T形法(Zhang X et al.,International Journal ofThermophysics,2000,21(4):965-980.)和微器件法(Kim P et al.,Physical reviewletters,2001,87(21):215502.)为代表，非接触式方法以拉曼方法为代表。为消除界面热阻的影响，通常的方法在实验中对悬架的纳米线进行测量。然而，在实际的电子器件中，纳米线通常被基底支撑而非悬架。由于纳米线和基底之间的界面处存在显著的电子/声子散射，悬架的纳米线和支撑的纳米线的热物理性质可能存在明显不同，文献报道中很少有实验对基底支撑的纳米线进行热物性的测量。

拉曼光谱是一种非接触，无破坏性且易于操作的工具，可以用于测量纳米材料的局域温度。使用具有大数值孔径(NA)的高倍率物镜，聚焦激光光斑的直径可小于1μm。在已有的文献中，已经提出了稳态和瞬态拉曼方法来测量纳米线和纳米薄膜的热导率和热扩散率。稳态拉曼方法通过使用电流或激光加热悬架纳米线，并通过检测拉曼峰值位移测量局部温度，目前该方法已成功用于测量碳纳米管，硅纳米线，GaAs纳米线等。但是，如果样品被电流加热，则测试样品必须是导电的，并且要精细设计连接纳米线的微电极，样品和工艺要求高。如果样品通过激光加热，则应精确测量激光吸收系数，这对于大多数纳米材料来说是很难实现的。Liu等人(Liu J H,et al.,Review of Scientific Instruments,2015,86(1):014901)通过使用单波长激光闪光拉曼方法解决了这个问题。在该方法中，加热激光同时也是探测激光由电光调制器调制并引起周期性的温度上升和下降。通过改变激光照射时间来测量测试纳米线的温度上升曲线，并且在无量纲分析中消除激光吸收系数。Li等人(LiQ Y,et al.,International Journal of Heat and Mass Transfer,2016,95:956-963.)将这种方法扩展到二维材料。但是由于电光调制器上升/下降时间的限制，最短曝光时间长于15ns，导致支撑二维材料测量的时间和温度分辨率非常低。对于支撑的超细纳米线或超薄纳米膜，例如碳纳米管和石墨烯，温度在约10ns后就趋于稳态。在这种情况下，单激光方法不能准确地测量整个温度上升曲线，现有实验研究尚不能精确的测定有基底一维纳米线的热传导特性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法，该方法通过调整探测脉冲激光和加热脉冲激光的时间周期间隔，获得更高的时间精度和数据精度。

本发明的另一个目的在于提出一种激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法，包括以下步骤：控制加热脉冲激光按照预设周期对一维纳米线样品和基底进行加热，以使所述一维纳米线样品和所述基底在所述预设周期内温度升达到稳定，以及完全冷却至环境温度；在所述预设周期内，通过探测脉冲激光对所述一维纳米线样品和所述基底进行拉曼信号探测，并根据所述拉曼信号的光谱峰位和温度的线性关系，获取在所述探测脉冲激光宽度内所述一维纳米线样品和所述基底的平均提升温度；通过双通道信号发生器调整所述探测脉冲激光与所述加热脉冲激光的周期偏差，获取所述一维纳米线样品的第一温度与时间的变化曲线和所述基底的第二温度与时间的变化曲线，对所述第一温度与时间的变化曲线和所述第二温度与时间的变化曲线进行无量纲化得到所述一维纳米线样品的热传导特性。

本发明实施例的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法，通过调整探测脉冲激光和加热脉冲激光的时间周期间隔，获得更高的时间精度和数据精度，实现了有基底一维纳米线原位无损非接触式测量，可直接测量得到纳米线热传到特性。

另外，根据本发明上述实施例的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述探测脉冲激光的波长大于所述加热脉冲激光的波长；所述探测脉冲激光和所述加热脉冲激光的聚焦光斑半径大于所述纳米线直径。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述探测脉冲激光照射在所述一维纳米线样品上的强度小于3mW；测量所述热传导特性的过程在真空环境下进行，所述真空环境的真空度小于10^-3Pa。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述热传导特性包括：

热导率、热扩散率及所述一维纳米线样品和所述基底间的界面热阻。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过电光调制器将激光器产生的连续加热激光和连续探测激光转变为所述加热脉冲激光和所述探测脉冲激光。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统，包括：样品室，一维纳米线样品放置于所述样品室的样本座上；

加热装置，所述加热装置的第一出光光路连接所述样品室，且所述加热装置控制加热脉冲激光按照预设周期对所述一维纳米线样品和基底进行加热，以使所述一维纳米线样品和所述基底在所述预设周期内温度升达到稳定，以及完全冷却至环境温度；

探测装置，所述探测装置的第二出光光路连接所述样品室，且所述探测装置在所述预设周期内，通过探测脉冲激光对所述一维纳米线样品和所述基底进行拉曼信号探测，并根据所述拉曼信号的光谱峰位和温度的线性关系，获取在所述探测脉冲激光宽度内所述一维纳米线样品和所述基底的平均提升温度；

热传导特性确定装置，通过双通道信号发生器调整所述探测脉冲激光与所述加热脉冲激光的周期偏差，获取所述一维纳米线样品的第一温度与时间的变化曲线和所述基底的第二温度与时间的变化曲线，对所述第一温度与时间的变化曲线和所述第二温度与时间的变化曲线进行无量纲化得到所述一维纳米线样品的热传导特性。

本发明实施例的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统，通过调整探测脉冲激光和加热脉冲激光的时间周期间隔，获得更高的时间精度和数据精度，实现了有基底一维纳米线原位无损非接触式测量，可直接测量得到纳米线热传到特性。

另外，根据本发明上述实施例的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述加热装置包括：

第一激光器，所述第一激光器用于产生连续加热激光；以及

第一电光调制器，所述第一电光调制器用于将所述连续加热激光转变为所述加热脉冲激光；

所述探测装置包括：

第二激光器，所述第二激光器用于产生连续探测激光；

第二电光调制器，所述第二电光调制器用于将所述连续探测激光转变为所述探测脉冲激光；

所述系统进一步包括：

所述双通道信号发生器，所述双通道信号发生器分别与所述第一电光调制器和第二电光调制器相连，用于调控所述加热脉冲激光和所述探测脉冲激光的周期；

拉曼光谱仪，所述拉曼光谱仪连接到所述样品室，用于提取拉曼散射光，且连接光路上存在高通滤波片和反射镜，所述高通滤波片用于滤出瑞利散射，所述反光镜用于导通光路；

图像传感器，所述图像传感器与所述拉曼光谱仪相连，用于收集拉曼光谱；

物镜，用于将所述加热脉冲激光和所述探测脉冲激光聚焦在所述一维纳米线样品表面；

温度控制器，所述温度控制器与所述样品座相连，用于控制所述样品座及样品室的温度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述探测脉冲激光的波长大于所述加热脉冲激光的波长；所述探测脉冲激光和所述加热脉冲激光的聚焦光斑半径大于所述纳米线直径。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述探测脉冲激光照射在所述一维纳米线样品上的强度小于3mW；所述样品室与真空泵相连，所述样品室的真空度小于10^-3Pa。

进一步地，在本发明的一个实施例中，热导率、热扩散率及所述一维纳米线样品和所述基底间的界面热阻。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法流程图；

图2为根据本发明一个实施例的基底支撑一维纳米线物理模型示意图；

图3为根据本发明一个实施例的加热脉冲和探测脉冲序列及样品和基底温度变化示意图；

图4为根据本发明一个实施例的改变材料容积热容和样品与基底之间的界面热阻，升温段纳米线无量纲温升曲线示意图；

图5为根据本发明一个实施例的改变材料热导率和样品与基底之间的界面热阻时，升温段纳米线无量纲温升曲线示意图；

图6为根据本发明一个实施例的改变材料容积热容和样品与基底之间的界面热阻，降温段纳米线无量纲温升曲线示意图；

图7为根据本发明一个实施例的改变材料热导率和样品与基底之间的界面热阻时，降温段纳米线无量纲温升曲线示意图；

图8为根据本发明一个实施例的双激光光束拉曼闪光法测试平台示意图；

图9为根据本发明一个实施例的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法及系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法。

图1为根据本发明一个实施例的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法流程图。

如图1所示，该激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法包括以下步骤：

在步骤S101中，控制加热脉冲激光按照预设周期对一维纳米线样品和基底进行加热，以使一维纳米线样品和基底在预设周期内温度升达到稳定，以及完全冷却至环境温度。

进一步地，通过电光调制器将激光器产生的连续加热激光转变为加热脉冲激光。连续加热激光为单横模、单纵模的离子激光器或固体激光器产生的激光功率恒定的、符合高斯分布的连续激光，激光器出光功率需在500mW以上，以使样品产生足够大温升。

加热脉冲，是指由电光调制器将连续加热激光调制成的脉冲时间为t_h、脉冲间隔时间为t_c的脉冲激光，在脉冲时间t_h内，样品和基底温升分别达到

和

，在脉冲间隔时间t_c内，样品和基底完全冷却至环境温度。

进一步地，在本发明的实施例中，一维纳米线为非金属一维纳米线，包括碳纳米管、碳纤维和硅纳米线等具有拉曼特征峰的一维纳米线材，基底为具有拉曼特征峰或已知激光吸收率的的热传导特性已知的体材料，需有拉曼信号或已知激光吸收率，基底热导率需足够大以保证基底的温升仅由激光加热产生，进而纳米线对基底的加热作用忽略。

具体地，一维纳米线放置在样品室的样品座上，样品室为真空环境，真空环境是指抽真空后的真空腔，测量热传导特性的过程在真空环境下进行，真空度在10^-3Pa以下，利用真空泵和分子泵两级抽真空，以消除自然对流的影响。其中，环境温度，即真空腔和样品座温度，由温控平台检测和控制，温控仪可选用Linkam的THM S350EV，控制精度为±0.1K。

在步骤S102中，在预设周期内，通过探测脉冲激光对一维纳米线样品和基底进行拉曼信号探测，并根据拉曼信号的光谱峰位和温度的线性关系，获取在探测脉冲激光宽度内一维纳米线样品和基底的平均提升温度

进一步地，通过电光调制器将激光器产生的连续探测激光转变为探测脉冲激光。连续探测激光为单横模、单纵模的离子激光器或固体激光器产生的激光功率恒定的、符合高斯分布的、与加热激光波长不同的连续激光，其线宽需小于1nm。

探测脉冲，是指由电光调制器将连续探测激光调制成的脉冲时间为t_p、与加热脉冲时间偏差为t_d、与加热脉冲周期一致的脉冲激光。

进一步地，在本发明的实施例中，探测脉冲激光的波长大于加热脉冲激光的波长，则以探测脉冲波长为基准测定的拉曼光谱不受加热脉冲信号的影响；探测脉冲激光和加热脉冲激光的聚焦光斑半径大于纳米线直径，则纳米线径向温度分布可以认为均匀；探测脉冲激光照射在一维纳米线样品上的强度小于3mW，不会引起一维纳米线温升。

其中，光斑半径，是指激光光斑功率密度衰减到激光中心功率密度1/e处的半径，即激光光斑尺寸。

在步骤S103中，通过双通道信号发生器调整探测脉冲激光与加热脉冲激光的周期偏差，获取一维纳米线样品的第一温度与时间的变化曲线和基底的第二温度与时间的变化曲线，对第一温度与时间的变化曲线和第二温度与时间的变化曲线进行无量纲化得到一维纳米线样品的热传导特性。

进一步地，通过双通道信号发生器调节两台电光调制器，通过信号发生器可调制加热脉冲时间t_h，脉冲间隔时间t_c，探测脉冲时间t_p和探测脉冲和加热脉冲的时间偏差t_d。

具体地，改变探测脉冲和加热脉冲的时间偏差t_d的方法，是通过调整双通道信号发生器输入电光调制器的信号，调整时间偏差t_d，时间偏差t_d分辨率可达到ps量级。此外，加热脉冲时间t_h、加热脉冲间隔时间t_c和探测脉冲时间t_p均可通过双通道信号发生器进行调整。

进一步地，基底在t₀时间内连续长时间加热的温升

纳米线在脉冲加热和降温过程中温升随时间的变化曲线

是通过用拉曼光谱仪测定样品和基底的拉曼特征峰偏移测定的。基底在脉冲加热和降温过程中温升随时间的变化曲线

是通过基底的已知物性计算得到的。基底在t₀时间内连续长时间加热的温升

是指连续加热激光加热基底时基底表面的高斯平均温度在t₀时间内的平均值。

和

是指时间偏差t_d为t时，测定的样品和计算得到的基底表面的高斯平均温度在脉冲时间t_p内的平均值。在脉冲时间t_p很短时，可近似视为t时刻的温度。拉曼光谱仪可选用Horiba T64000型三级拉曼光谱仪。

无量纲化方法，是指将样品和基底升温及降温阶段温升随时间的变化曲线与特征温升T₀做比值。若基底热导率足够大基本无温升，加热时间足够长，纳米线温升将趋于稳态，则特征温升取为纳米线的稳态温升

若基底温升明显，特征温升取为T₀＝2ηq₀R_cd/πr_e ²，其中q₀为激光功率，η为纳米线激光吸收率，d为纳米线直径。通过无量纲化，可以消除激光吸收率，单独获取样品物性对温升曲线的影响。

进一步地，在本发明的一个实施例中，热传导特性包括：热导率、热扩散率及一维纳米线样品和基底间的界面热阻。

下面对本发明实施例的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法进行详细说明。

为准确测量基底支撑一维纳米线的热传导特性，本发明实施例提供了一种利用双波长激光光束测量一维纳米线热传导特性的方法。针对有基底的一维纳米线样品，使用一束较强的周期加热脉冲(脉冲宽度为t_h)加热样品和基底，完整的周期包含对基底及样品的加热和基底和样品的冷却过程。在完整周期内，使用另一束不同波长的探测脉冲(脉冲宽度为t_p)进行拉曼信号探测，利用拉曼光谱峰位偏移和温升的线性关系，可以测定或计算探测脉冲宽度t_p内样品和基底表面的平均温升。通过信号发生器，调整探测脉冲激光与加热脉冲激光的时间偏差t_d，可以同时测定或计算样品和基底表面的温升随时间的变化曲线，由此可获得一维材料样品的热扩散率、热导率及一维材料与基底之间的样品与基底之间的界面热阻。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：首先将基底支撑的一维纳米线样品放置在样品座上，若基底有特征拉曼光谱，在真空环境下，使用连续激光作为探测光，扫描纳米线样品和基底的拉曼光谱，确定样品和基底的拉曼特征峰。通过改变温控平台温度，标定样品和基底拉曼特征峰峰位偏移与温升的线形关系，由此，即可借助拉曼特征峰峰位偏移测定纳米线和基底的温升。如果基底无特征拉曼光谱，但激光吸收率已知，则不需要测定基底拉曼偏移特性，仅需测定纳米线的拉曼温度偏移特性。如果基底无特征拉曼光谱，且激光吸收率未知，则该方法不适用于此基底。

随后，对基底的激光吸收率进行提前表征，在环境温度下使用一束光斑半径为r_e的连续激光长时间加热基底，加热时长为t₀，并使用光斑半径为r_p的连续探测激光测量基底在加热时间内的平均温升

在基底材料物性已知的前提下可以计算得到基底的激光吸收系数η_s.

将光斑半径为r_e的连续加热激光调制为加热脉冲激光，将光斑半径为r_p的连续探测激光调制为探测脉冲激光。通过改变探测脉冲和加热脉冲的时间偏差t_d，可以测定纳米线在升温和降温阶段温升随时间的变化曲线

同时可以计算得到相应时间内基底的温升随时间的变化曲线

将温升曲线进行无量纲化，再耦合基底支撑一维纳米线导热模型，即可提取出基底支撑一维纳米线的热导率、热扩散率及纳米线与基底间的接触热阻。

如图2所示，为有基底的一维纳米线物理模型，在真空环境下，使用一束符合高斯分布的、光斑半径为r_e的连续加热激光加热一维纳米线样品和基底，基底可以认为是半无限大。加热激光和探测激光使用同一个物镜聚焦在样品表面。实验中须满足的两个必要条件如下：基底热导率需足够大以保证基底的温升仅由激光加热产生，进而纳米线对基底的加热作用忽略；激光光斑直径远大于纳米线直径，以保证纳米线径向温度分布均匀。基于以上假设纳米线上的温度分布可以认为是一维温度分布，实验在真空中进行，自然对流可以忽略。

若基底吸收率未知，首先需要对基底的激光吸收率进行提前表征，在环境温度下使用一束光斑半径为r_e的连续激光长时间加热基底，加热时长为t₀，并使用光斑半径为r_p的连续探测激光测量基底在加热时间内的平均温升

在基底材料物性已知的前提下可以计算得到基底的激光吸收系数η_s，得到基底吸收系数后即可对基底温升进行直接计算而不需要进行实验测量。

然后，使用一束较强的周期加热脉冲(脉冲宽度为t_h)加热样品和基底，完整的周期包含对基底及样品的加热和基底和样品的冷却过程。如图3所示，在脉冲时间t_h内使样品和基底温升达到趋近于稳态，在脉冲间隔时间t_c内完全冷却至环境温度。在完整周期内，使用另一束不同波长的探测脉冲(脉冲宽度为t_p)进行拉曼信号探测，利用拉曼光谱峰位偏移和温升的线性关系，可以测定或计算探测脉冲宽度t_p内样品和基底表面的平均温升。通过信号发生器，调整探测脉冲激光与加热脉冲激光的时间偏差t_d，可以同时测定或计算样品和基底表面的温升随时间的变化曲线

和

根据有基底支撑一维纳米线的物理模型，建立样品和基底在升温阶段的非稳态导热方程组如下式(1)-(8)。

T(x,0)＝T_s(x,0)＝0 (3)

T_s(∞,z,t)＝0 (6)

T_s(x,∞,t)＝0 (7)

其中，A为纳米线横截面积，λ、λ_s分别为样品和基底的热导率，C为纳米线的容积热容，α_s为基底的热扩散率，R_c为纳米线与基底间的线接触热阻。利用拉曼光谱偏移测定的纳米线的平均温升可以表示为

对方程进行无量纲化，经推导可知，纳米线上的温升分布满足如下形式：T＝ηR_cf(λR_c,CR_c,ηR_c,x,t)，可以看到在升温阶段无量纲化的温升仅和λR_c,CR_c以及ηR_c有关，理论上可以通过多参数拟合直接得到这三个参数。进而，测量样品的热扩散率α可以通过λR_c,CR_c的比值间接得到。显然，热扩散率是可以准确获得的参数，如果样品的容积热容C已知，则样品的热导率、激光吸收率，以及样品与基底间的接触热阻均可获得。

在降温阶段，脉冲加热激光被关闭，同样可以建立样品和基底在降温阶段的非稳态导热方程组如下式(9)-(17)。

T(x,0)＝T_e(x) (11)

T_s(x,0)＝T_se(x) (12)

T_s(∞,z,t)＝0 (15)

T_s(x,∞,t)＝0 (16)

其中，T_e和T_se分别为纳米线和基底升温段的终了温升。假设终了温升分布已知，则降温段的温升分布的形式为T＝g(λR_c,CR_c,x,t)。可以看到，降温段温升与λR_c,CR_c有关，而与激光吸收率η无关。但是，降温段不能单独用于物性测量，因为通常情况下升温段的终了温升分布不能直接测量得到。然而在实际测量中，降温段可以提供相对于升温段更高的参数灵敏度，因此，本方法同时对升温和降温段的温升进行测量，通过给出估计的参数，利用升温段终了温度分布并作为初值传递给降温段，然后利用降温段的高灵敏度参数拟合获取更新的估计参数再代回升温段计算，如此往复可以获得准确的热物性参数。

与其他技术相比，本方法测定的一维纳米线的热扩散率不需提前对样品激光吸收率进行测定，通过调整探测脉冲和加热脉冲的时间间隔，可获得更高的时间精度，加热激光带宽受限较小，可采用较高的能量加热样品，探测激光本身能量很低，可以避免激光器本身热漂问题，数据精度更高，并且实现了有基底一维纳米线原位无损非接触式测量，可直接测量得到纳米线热扩散率，如已知纳米线密度和比热可以进一步得到热导率、接触热阻、激光吸收率。

如图4-7所示，为本发明的一个具体实施例分析示意图，选取待测纳米线为20nm直径的硅纳米线放置在镜面的银基底上进行灵敏度分析。银基底的激光吸收率已知为2％，并且银的热导率较大，为429W/m·K，使用8mW加热激光对样品进行加热，升温段银基底的温升相对纳米线可以忽略，因此硅纳米线温升在长时间加热后会趋于稳态，选取该稳态温升作为特征温升T₀，考察升温段和降温段的无量纲温升对于待测参数变化的响应，从图中可以看到，CR_c在升温段和降温段均有较好的灵敏度，而λR_c在降温段的灵敏度明显优于升温段。

如图8所示，0为一维纳米线样品，1为放置样品的样品座，2为真空腔，3和4分别为产生连续加热激光的第一激光器和产生连续探测激光的第二激光器，5和6为电光调制器，分别用于将第一激光器产生的连续加热激光转换为脉冲激光和将第二激光器产生的连续探测激光转换为脉冲激光，7为双通道信号发生器，用于控制两台电光调制器，8为带通滤光片，用于去除探测光路中的杂散光，9、10为反射镜，11为具有波长选择性的半透半反镜，12为物镜，用于将加热光和探测光聚焦在样品表面，13为高通滤光片，用于滤除瑞利散射，14为用于提取拉曼散射光的拉曼光谱仪，15为图像传感器，用于收集拉曼光谱，16为计算机用于控制光谱仪和绘制图像，17为样品台温度控制器，18为真空泵。

应用此双激光光束测量一维纳米线热传导特性方法的具体测量步骤如下：

(1)将基底支撑的一维纳米线样品放置在样品座上，若基底有特征拉曼光谱，在真空环境下，利用激光功率小于3mW的探测激光扫描纳米线样品和基底的拉曼光谱，确定样品和基底的拉曼特征峰。通过改变温控平台温度，标定样品和基底拉曼特征峰峰位偏移与温升的线性关系，由此，即可借助拉曼特征峰峰位偏移测定纳米线和基底的温升。如果基底无特征拉曼光谱，但激光吸收率已知，则不需要测定基底拉曼偏移特性，仅需测定纳米线的拉曼温度偏移特性。如果基底无特征拉曼光谱，且激光吸收率未知，则该方法不适用于此基底。

(2)对基底的激光吸收率进行提前表征，在环境温度下使用一束光斑半径为r_e的连续激光长时间加热基底，加热时长为t₀，并使用光斑半径为r_p的功率小于3mW的连续探测激光测量基底在加热时间内的平均温升

，在基底材料物性已知的前提下可以计算得到基底的激光吸收系数η_s.若基底吸收率已知，可跳过该步骤。

(3)针对有基底的一维纳米线，在环境温度下，使用电光调制器将功率恒定的加热激光调制为脉冲时间为t_h、脉冲间隔时间为t_c的加热脉冲，加热样品和基底，脉冲间隔时间t_c内样品和基底恢复为环境温度。使用另一束不同波长的探测脉冲进行拉曼信号探测，利用拉曼光谱峰位偏移和温升的线性关系，可以测定探测脉冲时间t_p内样品和基底表面的温升。通过信号发生器，调整探测脉冲激光与加热脉冲激光的时间偏差t_d，同时测定在升温和降温阶段样品和基底表面的温升随时间的变化曲线。

(4)给出λR_c的粗略估计值，然后通过上升段温升曲线拟合得到ηR_c和CR_c。用估计的λR_c及拟合得到的ηR_c，CR_c作为已知参数，计算加热过程的终了温升分布作为降温段的初值，利用降温段拟合得到新的λR_c和CR_c。然后将降温段得到的λR_c作为新的估计值重复上述过程，直到λR_c和CR_c收敛。进而，样品的热扩散率α可以通过λR_c,CR_c的比值间接得到。如果样品的容积热容C已知，则样品的热导率、激光吸收率，以及样品与基底间的接触热阻均可获得。

根据本发明实施例提出的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法，通过调整探测脉冲激光和加热脉冲激光的时间周期间隔，获得更高的时间精度和数据精度，实现了有基底一维纳米线原位无损非接触式测量，可直接测量得到纳米线热传到特性。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统。

图9为根据本发明一个实施例的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统结构示意图。

如图9所示，该激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统20包括：样品室100、加热装置200、探测装置300和热传导特性确定装置400。

其中，一维纳米线样品放置于样品室100的样本座上。

加热装置200的第一出光光路连接样品室，且加热装置控制加热脉冲激光按照预设周期对一维纳米线样品和基底进行加热，以使一维纳米线样品和基底在预设周期内温度升达到稳定，以及完全冷却至环境温度。

探测装置300的第二出光光路连接样品室，且探测装置在预设周期内，通过探测脉冲激光对一维纳米线样品和基底进行拉曼信号探测，并根据拉曼信号的光谱峰位和温度的线性关系，获取在探测脉冲激光宽度内一维纳米线样品和基底的平均提升温度；

热传导特性确定装置400通过双通道信号发生器调整探测脉冲激光与加热脉冲激光的周期偏差，获取一维纳米线样品的第一温度与时间的变化曲线和基底的第二温度与时间的变化曲线，对第一温度与时间的变化曲线和第二温度与时间的变化曲线进行无量纲化得到一维纳米线样品的热传导特性。

该系统20通过调整探测脉冲激光和加热脉冲激光的时间周期间隔，获得更高的时间精度和数据精度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，加热装置包括：第一激光器，第一激光器用于产生连续加热激光；第一电光调制器，第一电光调制器用于将连续加热激光转变为加热脉冲激光；

进一步地，在本发明的一个实施例中，探测装置包括：第二激光器，第二激光器用于产生连续探测激光；第二电光调制器，第二电光调制器用于将连续探测激光转变为探测脉冲激光；

进一步地，在本发明的一个实施例中，系统进一步包括：双通道信号发生器，双通道信号发生器分别与第一电光调制器和第二电光调制器相连，用于调控加热脉冲激光和探测脉冲激光的周期；

拉曼光谱仪，拉曼光谱仪连接到样品室，用于提取拉曼散射光，且连接光路上存在高通滤波片和反射镜，高通滤波片用于滤出瑞利散射，反光镜用于导通光路；

图像传感器，图像传感器与拉曼光谱仪相连，用于收集拉曼光谱；

物镜，用于将加热脉冲激光和探测脉冲激光聚焦在一维纳米线样品表面；

温度控制器，温度控制器与样品座相连，用于控制样品座及样品室的温度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，探测脉冲激光的波长大于加热脉冲激光的波长；探测脉冲激光和加热脉冲激光的聚焦光斑半径大于纳米线直径。

进一步地，在本发明的一个实施例中，探测脉冲激光照射在一维纳米线样品上的强度小于3mW；样品室与真空泵相连，样品室的真空度小于10^-3Pa。

进一步地，在本发明的一个实施例中，热导率、热扩散率及纳米线样品和基底间的界面热阻。

需要说明的是，前述对激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法实施例的解释说明也适用于该实施例的系统此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统，通过调整探测脉冲激光和加热脉冲激光的时间周期间隔，获得更高的时间精度和数据精度，实现了有基底一维纳米线原位无损非接触式测量，可直接测量得到纳米线热传到特性。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制加热脉冲激光按照预设周期对一维纳米线样品和基底进行加热，以使所述一维纳米线样品和所述基底在所述预设周期内温度升达到稳定，以及完全冷却至环境温度；

在所述预设周期内，通过探测脉冲激光对所述一维纳米线样品和所述基底进行拉曼信号探测，并根据所述拉曼信号的光谱峰位和温度的线性关系，获取在所述探测脉冲激光宽度内所述一维纳米线样品和所述基底的平均提升温度；

通过双通道信号发生器调整所述探测脉冲激光与所述加热脉冲激光的周期偏差，获取所述一维纳米线样品的第一温度与时间的变化曲线和所述基底的第二温度与时间的变化曲线，对所述第一温度与时间的变化曲线和所述第二温度与时间的变化曲线进行无量纲化得到所述一维纳米线样品的热传导特性，具体包括：将第一温度/第二温度与时间的变化曲线分为升温段和降温段，给出热导率λ和样品与基底间的界面热阻Rc的乘积λRc的粗略估计值，并基于升温段曲线拟合得到激光吸收率η和容积热容C分别与基底间的界面热阻Rc的乘积ηRc和CRc ，将所述估计值和拟合值作为已知参数，计算加热过程的终了温升分布作为降温段的初值，利用降温段拟合得到新的λRc和CRc ，再将降温段拟合得到的λRc作为升温段新的估计值重复上述过程，直到λRc和CRc 收敛，通过λRc和CRc 之比确定热扩散率，容积热容C为已知参数，以进一步计算得到热导率λ和样品与基底间的界面热阻Rc。

2.根据权利要求1所述的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法，其特征在于，

所述探测脉冲激光的波长大于所述加热脉冲激光的波长；

所述探测脉冲激光和所述加热脉冲激光的聚焦光斑半径大于所述纳米线直径。

3.根据权利要求1所述的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法，其特征在于，

所述探测脉冲激光照射在所述一维纳米线样品上的强度小于3mW；

测量所述热传导特性的过程在真空环境下进行，所述真空环境的真空度小于10^-3Pa。

4.根据权利要求1所述的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法，其特征在于，所述热传导特性包括：

热导率、热扩散率及所述一维纳米线样品和所述基底间的界面热阻。

5.根据权利要求1所述的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法，其特征在于，通过电光调制器将激光器产生的连续加热激光和连续探测激光转变为所述加热脉冲激光和所述探测脉冲激光。

6.一种激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统，其特征在于，包括：

样品室，一维纳米线样品放置于所述样品室的样本座上；

加热装置，所述加热装置的第一出光光路连接所述样品室，且所述加热装置控制加热脉冲激光按照预设周期对所述一维纳米线样品和基底进行加热，以使所述一维纳米线样品和所述基底在所述预设周期内温度升达到稳定，以及完全冷却至环境温度；

探测装置，所述探测装置的第二出光光路连接所述样品室，且所述探测装置在所述预设周期内，通过探测脉冲激光对所述一维纳米线样品和所述基底进行拉曼信号探测，并根据所述拉曼信号的光谱峰位和温度的线性关系，获取在所述探测脉冲激光宽度内所述一维纳米线样品和所述基底的平均提升温度；

热传导特性确定装置，通过双通道信号发生器调整所述探测脉冲激光与所述加热脉冲激光的周期偏差，获取所述一维纳米线样品的第一温度与时间的变化曲线和所述基底的第二温度与时间的变化曲线，对所述第一温度与时间的变化曲线和所述第二温度与时间的变化曲线进行无量纲化得到所述一维纳米线样品的热传导特性，具体包括：将第一温度/第二温度与时间的变化曲线分为升温段和降温段，给出热导率λ和样品与基底间的界面热阻Rc的乘积λRc的粗略估计值，并基于升温段曲线拟合得到激光吸收率η和容积热容C分别与基底间的界面热阻Rc的乘积ηRc和CRc ，将所述估计值和拟合值作为已知参数，计算加热过程的终了温升分布作为降温段的初值，利用降温段拟合得到新的λRc和CRc ，再将降温段拟合得到的λRc作为升温段新的估计值重复上述过程，直到λRc和CRc 收敛，通过λRc和CRc 之比确定热扩散率，容积热容C为已知参数，以进一步计算得到热导率λ和样品与基底间的界面热阻Rc。

7.根据权利要求6所述的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统，其特征在于，

所述加热装置包括：

第一激光器，所述第一激光器用于产生连续加热激光；以及

第一电光调制器，所述第一电光调制器用于将所述连续加热激光转变为所述加热脉冲激光；

所述探测装置包括：

第二激光器，所述第二激光器用于产生连续探测激光；

第二电光调制器，所述第二电光调制器用于将所述连续探测激光转变为所述探测脉冲激光；

所述系统进一步包括：

所述双通道信号发生器，所述双通道信号发生器分别与所述第一电光调制器和第二电光调制器相连，用于调控所述加热脉冲激光和所述探测脉冲激光的周期；

拉曼光谱仪，所述拉曼光谱仪连接到所述样品室，用于提取拉曼散射光，且连接光路上存在高通滤波片和反射镜，所述高通滤波片用于滤出瑞利散射，所述反射镜用于导通光路；

图像传感器，所述图像传感器与所述拉曼光谱仪相连，用于收集拉曼光谱；

物镜，用于将所述加热脉冲激光和所述探测脉冲激光聚焦在所述一维纳米线样品表面；

温度控制器，所述温度控制器与所述样品座相连，用于控制所述样品座及样品室的温度。

8.根据权利要求6所述的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统，其特征在于，

所述探测脉冲激光的波长大于所述加热脉冲激光的波长；

所述探测脉冲激光和所述加热脉冲激光的聚焦光斑半径大于所述纳米线直径。

9.根据权利要求6所述的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统，其特征在于，

所述探测脉冲激光照射在所述一维纳米线样品上的强度小于3mW；

所述样品室与真空泵相连，所述样品室的真空度小于10^-3Pa。

10.根据权利要求6所述的激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统，其特征在于，所述热传导特性包括：

热导率、热扩散率及所述一维纳米线样品和所述基底间的界面热阻。

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