光熱反射法中的時域熱反射和空間域熱反射
針對於(yu) 小尺度薄膜樣品三維熱導率測量的光熱反射法簡介
小尺度薄膜樣品的熱導率(包括縱向熱導、麵內(nei) 和界麵熱導)難以測量，特別是對於(yu) 低導電性樣品和各向異性材料。而基於(yu) 光學的熱反射法的發展使得小尺寸樣品的熱導率測量變得容易。如今發展較為(wei) 成熟的光熱反射技術有基於(yu) 超快泵浦探測的時域熱反射法(TDTR)和基於(yu) 連續波激光的頻域熱反射法(FDTR)。此外，還有新開發的穩態溫升熱反射法(SSTR)和空間域熱反射法(SDTR)等。
這些熱反射法的特點是采用一束經調製的激光周期性加熱樣品，采用另一束激光作為(wei) 探測光，通過被加熱樣品表麵的反射率隨溫度的線性變化來測量樣品表麵的局部溫度變化，從(cong) 而確定樣品相關(guan) 的熱物性(例如圖1中的FDTR傳(chuan) 統光路示意圖)。由於(yu) 探測激光可以由高倍顯微物鏡聚焦在樣品表麵形成微米直徑的光斑，從(cong) 而實現微米級分辨率的加熱和溫度探測，因此該方法較大地放寬了對樣品尺寸的限製。另外基於(yu) 熱反射法的實驗可建立多層結構的三維各向異性傳(chuan) 熱模型，因此該方法不再局限於(yu) 測量特定厚度的懸空薄膜材料，還可同時測量有襯底的薄膜材料以及塊體(ti) 材料。
圖1：傳(chuan) 統FDTR光路示意圖(其中泵浦光波長488nm，探測光波長532nm，泵浦光通過EOM進行調製)[1]
TDTR是一種使用超快脈衝(chong) 激光器的非接觸式熱導測量技術。由一束泵浦脈衝(chong) 激光聚焦照射至樣品表麵，樣品對其吸收會(hui) 導致樣品表麵的溫度偏移。而探測光脈衝(chong) 相對於(yu) 泵浦脈衝(chong) 具有固定的延遲時間，而且該延遲時間是由機械平移台控製，通過改變光程來控製泵浦脈衝(chong) 和探測脈衝(chong) 間的延遲時間，由於(yu) 熱反射效應導致照射至其上的探測光脈衝(chong) 受溫度偏移的影響(如圖2中所示)，其中包含樣品的熱物性信息。
圖2：橫軸為(wei) 時間軸其中(a)經過調製器調整後的泵浦脈衝(chong) ；(b)為(wei) 樣品收到泵浦影響的表麵溫度變化；(c)探測光脈衝(chong) ，與(yu) 泵浦光脈衝(chong) 之間有一延遲；(d)由樣品反射的探測光的信號[2]
此外針對於(yu) 測量麵內(nei) 熱導率的空間域熱反射率(SDTR)可以測量1到2000 W/(m·K)範圍內(nei) 小尺度橫向各向異性的熱導率張量。與(yu) 其他的泵浦探針技術相比，這種新的SDTR方法不需要表征各種非熱相移，因此更容易實現，也更不容易在采集的信號中出現誤差。與(yu) TDTR和FDTR不同的是，泵浦激光經頻率調製後聚焦在樣品表麵對樣品進行周期性加熱，而探測光則用來探測相對於(yu) 泵浦激光中心一定方向和距離的
的熱反射信號，其中是通過調節分色鏡的角度可以改變泵浦光斑和探測光斑在樣品表麵上的相對位置，得到的相對於(yu) 
的相位和幅值信號如圖3中所示。
圖3：SDTR實驗測試數據示意圖(a)為(wei) 歸一化相位
和(b)歸一化幅值
。
因該SDTR方法獲得的信號對基底的平麵內(nei) 熱擴散係數
特別敏感(
為(wei) 特定方向的麵內(nei) 熱到淩晨，C為(wei) 體(ti) 積熱容)，但對其他參數不敏感，所以實驗測量中，采用鎖相放大器記錄溫度響應的幅值和相位信號隨樣品表麵泵浦和探測光斑的相對偏移距離
的變化。與(yu) 傳(chuan) 統交流量熱法類似，溫度響應的相位信號或幅值信號的對數值In N對偏移距離的斜率直接與(yu) 
相關(guan) ，從(cong) 而可以獲得樣品的麵內(nei) 熱擴散率
。
簡單介紹了通過熱反射測試方法的時域熱反射法和空間域熱反射法對小尺寸薄膜樣品熱物性測量的方法。
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相關(guan) 文獻：
[1] Regner, K. T. , Majumdar, S. , & Malen, J. A. . (2013). Review of Scientific Instruments, 84(6), 163.
[2] Schmidt, A. J. , Chen, X. , & Chen, G. . (2008). Review of Scientific Instruments, 79(11), 285.
[3] Jiang, P. , Wang, D. , Xiang, Z. , Yang, R. , & Ban, H. . (2022). International Journal of Heat and Mass Transfer, 191, 122849.
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