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SDTR熱反射廣域熱物性綜合測(cè)試系統(tǒng) AU-TRSD103

面內(nèi)熱導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng) AU-TRSD103簡介：

面內(nèi)熱導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng) AU-TRSD103 基于“泵浦-探測(cè)"原理，結(jié)合了頻域熱反射、空間域熱反射、穩(wěn)態(tài)溫升法、方脈沖熱源法的優(yōu)點(diǎn)，具有強(qiáng)大的熱物性綜合測(cè)試能力，能夠測(cè)量從薄膜到塊體材料的熱導(dǎo)率、比熱容和界面熱阻。系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，操作簡便，特別利于大批量快速測(cè)量。

• 可測(cè)參數(shù)多

• 可測(cè)范圍廣

• 測(cè)量精度高

• 操作簡便

• 支持定制

• 終身技術(shù)支持

SDTR熱反射廣域熱物性綜合測(cè)試系統(tǒng) AU-TRSD103基本原理：

基于光學(xué)的交流量熱法

• 樣品表面鍍100 nm厚的金屬膜做溫度傳感層；

• 經(jīng)調(diào)制的泵浦光周期性加熱樣品；

• 探測(cè)光測(cè)量距離泵浦光不同位置處的溫度響應(yīng)的幅值與相位；

• 由相位差信號(hào)和歸一化幅值信號(hào)同時(shí)擬合樣品面內(nèi)熱導(dǎo)率和光斑尺寸；

• 熱導(dǎo)率測(cè)量誤差≤ 5%，光斑尺寸測(cè)量誤差≤ 2%。

100 nm Ti/silica：

面內(nèi)熱導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng) AU-TRSD103亮點(diǎn)

1. 泵浦與探測(cè)光均采用連續(xù)激光，極大地降低了系統(tǒng)成本；

2. 無需修正泵浦光的參考相位，使得操作更簡單，測(cè)量更可靠；

3. 采用平衡探測(cè)器，極大減小了低頻噪音，加快了數(shù)據(jù)采集速度，完成一個(gè)樣品的測(cè)量僅需≤ 2分鐘；

4. 數(shù)據(jù)分析方法能同時(shí)擬合光斑尺寸，降低了光斑尺寸誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；

5. 數(shù)據(jù)分析方法使得測(cè)量信號(hào)僅對(duì)待測(cè)樣品的面內(nèi)熱導(dǎo)率和比熱容敏感，而無需準(zhǔn)確知道金屬傳感層的參數(shù)或樣品的縱向熱導(dǎo)率，因此極大提高了測(cè)量精度；

6. 可測(cè)的面內(nèi)熱導(dǎo)率范圍不受限制；

7. 采用微米級(jí)的光斑尺寸，因此可測(cè)徑向尺寸為亞毫米級(jí)別的小尺寸樣品。

面內(nèi)熱導(dǎo)率測(cè)試系統(tǒng) AU-TRSD103應(yīng)用領(lǐng)域：

①材料研究與開發(fā)

②能源領(lǐng)域

③電子器件研究

……

標(biāo)配系統(tǒng)測(cè)量能力：

1. 無需知道樣品的縱向熱導(dǎo)率，可獨(dú)立測(cè)量樣品的面內(nèi)各向異性熱導(dǎo)率張量，面內(nèi)熱導(dǎo)率測(cè)量范圍0.5 ? 5000 W/(m·K)，測(cè)量誤差≤ 5%；

2. 無需知道樣品的比熱容，可獨(dú)立測(cè)量樣品的平均熱導(dǎo)率，測(cè)量范圍0.05 ? 5000 W/(m·K)，測(cè)量誤差≤10%；

3. 對(duì)各向同性樣品，可同時(shí)測(cè)量其熱導(dǎo)率與體積比熱容，熱導(dǎo)率測(cè)量范圍0.05 ? 5000 W/(m·K)， 比熱容測(cè)量范圍0.1 ? 10 MJ/(m3·K)，測(cè)量誤差≤ 10%；

4. 可測(cè)薄膜樣品從100 nm到無限厚；

5. 可測(cè)小尺寸樣品，徑向直徑≥ 0.05 mm；

6. 要求樣品表面粗糙度≤ 15 nm。

升級(jí)系統(tǒng)額外測(cè)量能力：

7. 熱導(dǎo)率和比熱容的成像，分辨率達(dá)1 μm；

8. 界面熱阻測(cè)量

系統(tǒng)基本情況：

1. 系統(tǒng)占光學(xué)桌面積60 cm X 60 cm，封裝于黑匣中，防塵又安全。

2. 自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)測(cè)量，全程軟件操作，無需開箱進(jìn)行復(fù)雜的手動(dòng)調(diào)節(jié)。

3. 雙色泵浦-探測(cè)系統(tǒng)，標(biāo)配的探測(cè)光波長為785 nm。

4. 泵浦光調(diào)制頻率的標(biāo)配范圍為DC-5 MHz，可升級(jí)到50 MHz或150 MHz。

5. 采用平衡光電探測(cè)器提高信噪比，加快數(shù)據(jù)采集速度。

6. 自動(dòng)校準(zhǔn)泵浦相位（僅頻域熱反射法需要）和探測(cè)光的噪音。

7. ccd顯微成像系統(tǒng)清楚觀察樣品表面和光斑位置。

系統(tǒng)配置：

電源需求：110/220 VAC, 50/60 Hz, 15 Amp

激光波長：泵浦638 nm，探測(cè)785 nm（標(biāo)配，可根據(jù)用戶需求選配）

激光功率：泵浦100 mW，探測(cè)20 mW（標(biāo)配，可根據(jù)用戶需求選配）

調(diào)制頻率范圍：標(biāo)配DC-5 kHz，可升級(jí)到5 MHz、50 MHz或200 MHz

顯微鏡頭：標(biāo)配10x，對(duì)應(yīng)激光光斑1/e2直徑約～15μm，可增配50x，20x，5x，2x鏡頭及自動(dòng)切換模塊

樣品聚焦：標(biāo)配手動(dòng)調(diào)節(jié)，可增配PID反饋調(diào)節(jié)自動(dòng)聚焦模塊

測(cè)溫范圍：標(biāo)配室溫，可增配80-500 K、300-1200 K、4-300 K等不同溫區(qū)的變溫模塊

熱物性掃描：標(biāo)配無，可選配，掃描范圍200μm×200μm，步進(jìn)分辨率1 nm

顯微成像：標(biāo)配，可觀察樣品表面狀況及激光光斑位置

軟件：全自動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量與分析處理、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、報(bào)告生成

測(cè)量要求：

首先要確定樣品的金屬傳感層的金屬材料在SDTR的探測(cè)光束的波長處有較高的熱反射系數(shù)，對(duì)于常見的金屬材料的熱反射系數(shù)見下圖(b)；同時(shí)還要考慮傳感層的金屬材料對(duì)SDTR泵浦光有較高的吸收系數(shù)(a)。

圖：常見金屬材料對(duì)光的吸收系數(shù)(a)和熱反射系數(shù)(b)

對(duì)于SDTR的樣品還要保證表面光滑均勻，這樣不僅方便照射至樣品的探測(cè)光束能更好地被反射至探測(cè)器中，還能使在SDTR同一次測(cè)試掃描的空間范圍內(nèi)不會(huì)因表面粗糙度的不均勻而帶來較大的數(shù)據(jù)誤差，至少保證在一次的SDTR測(cè)試的掃描空間范圍內(nèi)的粗糙度是均勻的；這也限制了樣品的理論尺寸下限，該范圍的大小跟聚焦在樣品處的光斑大小相關(guān)，例如泵浦和探測(cè)光斑直徑若為10μm，則該范圍約為直徑100μm的圓形區(qū)域，但為了方便樣品的放置實(shí)際測(cè)試樣品的大小可根據(jù)需求可更大，但不能小于該尺寸下限。

此外對(duì)于樣品的金屬傳感層的熱導(dǎo)率也有要求，如果金屬傳感層具有比樣品層高很多的熱導(dǎo)率，熱量將在傳播到樣品之前就在金屬層的面內(nèi)熱傳導(dǎo)，而不是樣品層。在這種情況下，相位對(duì)金屬層面內(nèi)熱導(dǎo)率的敏感度會(huì)增加，而對(duì)樣品層的面內(nèi)熱導(dǎo)率的敏感度將降低。所以不利于面內(nèi)熱導(dǎo)率的測(cè)量，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與實(shí)際的有較大的差異。如果要保證對(duì)樣品的面內(nèi)熱導(dǎo)率較高的測(cè)量精度（或者較高的敏感性），則建議金屬層的熱導(dǎo)率不高于樣品層的10倍，這限制了對(duì)于某一種金屬作為傳感層時(shí)能測(cè)得的樣品層熱導(dǎo)率下限，比如以Al膜(240W/(K·m))作為傳感層時(shí)測(cè)試樣品的的熱導(dǎo)率建議不低于24W/(K·m)；如果要測(cè)試熱導(dǎo)率低于該值的樣品建議更換較低熱導(dǎo)率的傳感層，并且盡可能保證其他對(duì)于樣品傳感層的要求(例如較高的探測(cè)光波長熱反射系數(shù)和泵浦光波長的吸收系數(shù)、粗糙度)。

應(yīng)用案例：

光學(xué)交流量熱法測(cè)量面內(nèi)熱導(dǎo)率

可測(cè)熱導(dǎo)率范圍1~2000 W/(m·K)，誤差均小于5%

以藍(lán)寶石、單晶硅為例：

• 測(cè)得藍(lán)寶石熱導(dǎo)率為= 38 ± 1.49 W/(m·K)，誤差為3.9%

• 測(cè)得單晶硅熱導(dǎo)率為= 147 ± 4.88 W/(m·K)，誤差為3.3%

光學(xué)交流量熱法測(cè)量面內(nèi)各向異性熱導(dǎo)率張量

面內(nèi)各向異性材料

以石英晶體為例：

• 光學(xué)交流量熱法不要求激光光斑有嚴(yán)格的圓度即能準(zhǔn)確測(cè)量面內(nèi)熱導(dǎo)率張量，相較于文獻(xiàn)中較新的光斑偏移頻域熱反射法(BO-FDTR)*測(cè)量更準(zhǔn)確可靠。

*L. Tang and C. Dames, Int. J. Heat Mass Transfer 164, 120600 (2021).

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