本文介紹了空間域熱反射法SDTR的光學交流量熱法的原理。
空間域熱反射SDTR基於(yu) 的光學交流量熱法
進入微尺度以後材料的熱物性與(yu) 宏觀尺度相比發生了很大的變化，分析和測量微尺度下材料的熱物性參數對微尺度傳(chuan) 熱理論分析和研究微器件的熱傳(chuan) 導能力及散熱速度具有重要的意義(yi) 。交流量熱法是測量薄膜熱擴散率的有效方法之一，適合測量半導體(ti) 、金屬、非金屬等多種薄膜材料。
圖1：交流量熱法的測量原理圖[1]
交流量熱法的測量原理如圖1所示。當一定頻率和一定脈衝(chong) 寬度的激光加熱樣品時樣品表麵上會(hui) 呈現出同頻的交變溫度波。在一定距離上該溫度波的衰減和相位滯後與(yu) 樣品的熱物性有關(guan) 。根據已知一定距離上不同兩(liang) 點間的溫度波可以通過溫度波的幅度衰減或相移計算出樣品的熱擴散率。當樣品厚度遠遠小於(yu) 熱擴散長度時垂直樣品方向上沒有溫度梯度可看成一維傳(chuan) 熱。
根據交流量熱法的公式(1)可得出樣品的溫度變化與(yu) 距激光加熱點間的距離x的關(guan) 係，其中
，式中a是樣品水平方向上的熱擴散率，x是激光加熱點到傳(chuan) 感器的距離，c是樣品體(ti) 積比熱容，f是激光頻率，h是樣品厚度，Q是吸收的熱流，p是樣品密度。由(1)式可以得到樣品熱擴散率與(yu) 溫度變化的關(guan) 係。依據式中幅度的變化稱為(wei) 幅度法；依據相位的變化稱為(wei) 相位法。由於(yu) 幅度法測量薄膜的熱擴散率依賴薄膜吸收的熱量會(hui) 產(chan) 生較大的實驗誤差所以可采用相位法。
相位法測量樣品熱擴散率是根據熱源與(yu) 傳(chuan) 感器之間的相位差和距離之間的關(guan) 係，並進行差值化處理：
，其中
為(wei) 激光熱源與(yu) 探測器之間的距離，令
，即可通過計算相位
相對
的斜率m，因其中
，所以可寫(xie) 出：
通過(2)式子可知，在給定熱源的加熱頻率即激光頻率f下，通過測量薄膜樣品上的不同空間位置處的同頻熱場波動相位即可計算得出樣品的橫向熱擴散率a。
但對於(yu) 尺寸微米級的薄膜樣品，由於(yu) 受樣品尺寸要求的限製而不能用傳(chuan) 統的熱探測器或熱源測量，因此熱探測和熱源都通過微米尺寸的激光光斑實現，采用一束調製的連續波激光對樣品進行周期性加熱，另一束連續波激光基於(yu) 熱反射原理對樣品表麵距離加熱激光不同位置處的溫度響應(如熱波的相位
)進行探測；實驗中通過鎖相放大器采集頻率f下的熱反射率信號而實現熱探測的目的。
SDTR測量法即可測量薄膜也可測量塊體(ti) 材料，也可測量徑向尺寸數十微米以上的小尺寸樣品，與(yu) TDTR所需要的脈衝(chong) 激光器相比SDTR采用的是連續激光測量，且內(nei) 部係統較TDTR更穩定，極大降低了硬件及維護成本，且SDTR可極為(wei) 方便地測量樣品麵內(nei) 的各向異性熱導率或熱擴散率，但SDTR需要選擇合適的激光波長和金屬溫度傳(chuan) 感層，以保證獲得較高的熱反射係數和測量準確性[2]。
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相關(guan) 文獻：
[1] 陳海軍(jun) ,馬靈芝,唐禎安.交流量熱法測量SiO2薄膜的熱擴散率[J].功能材料, 2002, 33(5):3.DOI:CNKI:SUN:GNCL.0.2002-05-029.
[2] Jiang P , Wang D , Xiang Z ,et al.International Journal of Heat and Mass Transfer, 2022, 191:122849-.DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122849.
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