一种测量薄膜导热系数的方法与流程

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。

技术实现要素：

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方法，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：

所述一种测量薄膜导热系数的方法，装置主要包括衬底、待测薄膜、位移台、光电二极管、可见光源、红外摄像机、透孔、计算机，所述衬底位于样品架上，样品架能够根据实验需要移除，所述衬底由铜制成，所述待测薄膜位于所述衬底上面，所述光电二极管连接所述位移台下侧，所述位移台能够在距离所述待测薄膜上方某一高度的平面内运动，所述可见光源位于所述衬底下方，所述红外摄像机固定于所述衬底正上方且高于所述位移台，所述可见光源从所述衬底下方向上照射，所述待测薄膜和所述衬底吸收光的能量后产生热流；所述衬底具有贯穿上下表面的形状一致的若干透孔，所述透孔上方的所述待测薄膜部分的热分布取决于所述透孔的形状，所述衬底能够作为导热通道，其具有较大的导热系数以快速将多余热量传输走，使得所述待测薄膜产生温度梯度，所述衬底又能够作为光掩膜，其反射了大部分入射光，因此即使在可见光源的最高光强照射下，所述衬底温度的上升在1k之内；通过对薄膜温度增量、光照能量密度、薄膜的光吸收率、薄膜厚度等参数的计算能够得到薄膜的导热系数；所述衬底厚度典型值0.5毫米，当所述衬底上的所述透孔为半径r的圆形，所述透孔直径范围0.2至1毫米，所述待测薄膜的大小范围10×10平方毫米至10×10平方微米，所述光电二极管直径典型值80微米。

所述待测薄膜厚度很小，以致于能够使得所述透孔上方部分的所述待测薄膜对光吸收是均匀的，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||是所述待测薄膜的面内导热系数，t(r)是温度分布，在稳态条件下，所述透孔的圆形区域吸收的光功率等于透孔边缘圆周处的光功率流，从而得到r²π·pabs＝2rπ·d·qr(r)，其中d是所述待测薄膜厚度，pabs是所述待测薄膜的区域吸收功率密度，再应用r＝r处的边界条件t(r＝r)＝ts得到所述待测薄膜的温度分布其中r是柱坐标系中的径向变量，ts是衬底温度，所述待测薄膜的面内导热系数k||能够直接由近邻孔中心的温度分布曲率、吸收功率密度pabs和所述待测薄膜厚度d决定，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。

所述一种测量薄膜导热系数的方法步骤为：

一.确定所述待测薄膜厚度，将所述待测薄膜置于一个平整的玻璃衬底表面，使用轮廓仪测量其厚度；

二.由紫外-可见光谱实验测量所述待测薄膜对所述可见光源波长范围内的光的吸收率；

三.将所述待测薄膜转移到所述衬底上；

四.所述可见光源从所述衬底下方发射可见光；

五.此时未安装所述样品架、衬底和待测薄膜，可见光源发出的光直接进入所述光电二极管，所述位移台在距离所述待测薄膜上方某一高度的平面内匀速运动，同时所述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所述待测薄膜的区域吸收功率密度pabs；

七.安装所述样品架、衬底和待测薄膜，水平方向移动所述位移台使其远离所述衬底，所述红外摄像机采集所述待测薄膜发出的红外光，并进行成像，进而得到所述待测薄膜的温度分布，在所述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可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、吸收功率密度pabs和所述待测薄膜厚度d，通过计算确定所述待测薄膜的面内导热系数k||。

本发明的有益效果是：

所述一种测量薄膜导热系数的方法，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，装置主要包括衬底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、透孔7、计算机，所述衬底1位于样品架上，样品架能够根据实验需要移除，所述衬底1由铜制成，所述待测薄膜2位于所述衬底1上面，所述光电二极管连接所述位移台下侧，所述位移台3能够在距离所述待测薄膜2上方某一高度的平面内运动，所述可见光源5位于所述衬底1下方，所述红外摄像机6固定于所述衬底1正上方且高于所述位移台3，所述可见光源5从所述衬底1下方向上照射，所述待测薄膜2和所述衬底1吸收光的能量后产生热流；所述衬底1具有贯穿上下表面的形状一致的若干透孔7，所述透孔7上方的所述待测薄膜2部分的热分布取决于所述透孔7的形状，所述衬底1能够作为导热通道，其具有较大的导热系数以快速将多余热量传输走，使得所述待测薄膜2产生温度梯度，所述衬底1又能够作为光掩膜，其反射了大部分入射光，因此即使在可见光源5的最高光强照射下，所述衬底1温度的上升在1k之内；通过对薄膜温度增量、光照能量密度、薄膜的光吸收率、薄膜厚度等参数的计算能够得到薄膜的导热系数；所述衬底1厚度典型值0.5毫米，当所述衬底1上的所述透孔7为半径r的圆形，所述透孔7直径范围0.2至1毫米，所述待测薄膜2的大小范围10×10平方毫米至10×10平方微米，所述光电二极管4直径典型值80微米。

所述待测薄膜2厚度很小，以致于能够使得所述透孔7上方部分的所述待测薄膜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||是所述待测薄膜2的面内导热系数，t(r)是温度分布，在稳态条件下，所述透孔的圆形区域吸收的光功率等于透孔边缘圆周处的光功率流，从而得到r²π·pabs＝2rπ·d·qr(r)，其中d是所述待测薄膜2厚度，pabs是所述待测薄膜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得到所述待测薄膜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，所述待测薄膜2的面内导热系数k||能够直接由近邻孔中心的温度分布曲率、吸收功率密度pabs和所述待测薄膜2厚度d决定，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。

所述一种测量薄膜导热系数的方法步骤为：

一.确定所述待测薄膜2厚度，将所述待测薄膜2置于一个平整的玻璃衬底表面，使用轮廓仪测量其厚度；

二.由紫外-可见光谱实验测量所述待测薄膜2对所述可见光源5波长范围内的光的吸收率；

三.将所述待测薄膜2转移到所述衬底1上；

四.所述可见光源5从所述衬底1下方发射可见光；

五.此时未安装所述样品架、衬底1和待测薄膜2，可见光源5发出的光直接进入所述光电二极管4，所述位移台3在距离所述待测薄膜2上方某一高度的平面内匀速运动，同时所述光电二极管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所述待测薄膜2的区域吸收功率密度pabs；

七.安装所述样品架、衬底1和待测薄膜2，水平方向移动所述位移台3使其远离所述衬底1，所述红外摄像机6采集所述待测薄膜2发出的红外光，并进行成像，进而得到所述待测薄膜2的温度分布，在所述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可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、吸收功率密度pabs和所述待测薄膜2厚度d，通过计算确定所述待测薄膜2的面内导热系数k||。

当所述衬底1上的所述透孔为半径r的圆形，假设所述透孔上方部分的所述待测薄膜2对光吸收是均匀的，柱坐标系中，可以简化为一维问题：其中，热流矢量的径向分量qr，面内导热系数k||，温度分布t(r)，在稳态条件下，圆形区域吸收的光功率等于圆周处的光功率流，从而得到下式：r²π·pabs＝2rπ·d·qr(r)，其中d是薄膜厚度，pabs是吸收功率密度，再应用r＝r处的边界条件t(r＝r)＝ts得到所述待测薄膜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，以上使用的简单的边界条件没有考虑透孔上方薄膜中心处到孔边缘上方薄膜处的形状变化，但是，这个形状变化受透孔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的有效温度中。因此，k||能够直接由近邻孔中心的温度分布曲率、吸收功率密度pabs和所述待测薄膜2厚度d决定。由于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。