SDTR的測試數據形式簡介和測試樣品要求

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SDTR的測試數據形式簡介和測試樣品要求

空間域熱反射法SDTR適合測量薄膜樣品或塊體(ti) 的麵內(nei) 熱導率kr，是一種激光泵浦探測法，通過測量泵浦光在樣品上生成的溫度場來測定樣品的麵內(nei) 熱導率；通過另一束探測光束探測在樣品處的微小反射率變反應出樣品處的溫度場，隨著泵浦與(yu) 探測光在樣品上的焦點分離距離的增加，探針位置溫度場的相位滯後增大，振幅也迅速減小。

圖1：SDTR的相位掃描曲線示意圖(1kHz、10kHz、50kHz三種頻率下的相位)

在掃描中心附近，相位分布主要由泵浦光束和探針光束的有限尺寸決(jue) 定，但隨著掃描距離增大，相位曲線變成線性的，並且其斜率與(yu) 薄膜和襯底的熱導率和擴散率有關(guan) 。

圖2：SDTR的相位(a)和振幅掃描曲線(b)示意圖(圖中數據為(wei) Ti/Si樣品)

圖2(a)和2(b)所示分別為(wei) 整個(ge) 掃描範圍內(nei) 的相位信號和幅值信號，理論上兩(liang) 種信號都是以零點(泵浦光斑和探測光斑重合位置)左右對稱，雖然理論麵內(nei) 熱導率kxx需要從(cong) 對整個(ge) 坐標軸範圍的斜率Δφ進行擬合而得到，但實際的擬合結果主要決(jue) 定於(yu) xc＞2ω(ω為(wei) 光斑直徑)處的斜率，同樣的，在振幅信號中(圖2(b)所示)的曲線中，ω的敏感度主要為(wei) 振幅曲線的半高寬。因此通過SDTR的同次測試結果中可同時確定樣品的掃描方向的麵內(nei) 熱導率kxx和有效光斑直徑ω。

SDTR對測試樣品有一定的要求：首先要確定樣品的金屬傳(chuan) 感層的金屬材料在SDTR的探測光束的波長處有較高的熱反射係數，對於(yu) 常見的金屬材料的熱反射係數見圖3(b)；同時還要考慮傳(chuan) 感層的金屬材料對SDTR泵浦光有較高的吸收係數(a)。

圖3：常見金屬材料對光的吸收係數(a)和熱反射係數(b)

對於(yu) SDTR的樣品還要保證表麵光滑均勻，這樣不僅(jin) 方便照射至樣品的探測光束能更好地被反射至探測器中，還能使在SDTR同一次測試掃描的空間範圍內(nei) 不會(hui) 因表麵粗糙度的不均勻而帶來較大的數據誤差，至少保證在一次的SDTR測試的掃描空間範圍內(nei) 的粗糙度是均勻的；這也限製了樣品的理論zui小尺寸，該範圍的大小跟聚焦在樣品處的光斑大小相關(guan) ，例如泵浦和探測光斑直徑若為(wei) 10μm，則該範圍約為(wei) 直徑100μm的圓形區域，但為(wei) 了方便樣品的放置實際測試樣品的大小可根據需求可更大，但不能小於(yu) 該樣品的理論zui小尺寸。

此外對於(yu) 樣品的金屬傳(chuan) 感層的熱導率也有要求，如果金屬傳(chuan) 感層具有比樣品層高很多的熱導率，熱量將在傳(chuan) 播到樣品之前就在金屬層的麵內(nei) 熱傳(chuan) 導，而不是樣品層。在這種情況下，相位對金屬層麵內(nei) 熱導率的敏感度會(hui) 增加，而對樣品層的麵內(nei) 熱導率的敏感度將降低。所以不利於(yu) 麵內(nei) 熱導率的測量，會(hui) 導致zui終的測量結果與(yu) 實際的有較大的差異。如果要保證對樣品的麵內(nei) 熱導率較高的測量精度（或者較高的敏感性），則建議金屬層的熱導率不高於(yu) 樣品層的10倍，這限製了對於(yu) 某一種金屬作為(wei) 傳(chuan) 感層時能測得的較低的樣品層熱導率，比如以Al膜(240W/(K·m))作為(wei) 傳(chuan) 感層時測試樣品的的zui低熱導率建議不低於(yu) 24W/(K·m)；如果要測試熱導率低於(yu) 該值的樣品建議更換較低熱導率的傳(chuan) 感層，並且盡可能保證其他對於(yu) 樣品傳(chuan) 感層的要求(例如較高的探測光波長熱反射係數和泵浦光波長的吸收係數、粗糙度)。

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相關(guan) 文獻：

[1] Jiang P , Wang D , Xiang Z ,et al.A new spatial-domain thermoreflectance method to measure a broad range of anisotropic in-plane thermal conductivity[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2022, 191:122849.

[2]Hurley, David H ,Schley,et al.Local measurement of thermal conductivity and diffusivity[J].2023.

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