SDTR熱反射廣域熱物性綜合測試系統 AU-TRSD103

面內熱導率測試系統 AU-TRSD103簡介：

面內熱導率測試系統 AU-TRSD103 基于“泵浦-探測”原理，結合了頻域熱反射、空間域熱反射、穩態溫升法、方脈沖熱源法的優點，具有強大的熱物性綜合測試能力，能夠測量從薄膜到塊體材料的熱導率、比熱容和界面熱阻。系統自動化程度高，操作簡便，特別利于大批量快速測量。

• 可測參數多

• 可測范圍廣

• 測量精度高

• 操作簡便

• 支持定制

• 終身技術支持

SDTR熱反射廣域熱物性綜合測試系統 AU-TRSD103基本原理：

基于光學的交流量熱法

• 樣品表面鍍100 nm厚的金屬膜做溫度傳感層；

• 經調制的泵浦光周期性加熱樣品；

• 探測光測量距離泵浦光不同位置處的溫度響應的幅值與相位；

• 由相位差信號和歸一化幅值信號同時擬合樣品面內熱導率和光斑尺寸；

• 熱導率測量誤差≤ 5%，光斑尺寸測量誤差≤ 2%。

100 nm Ti/silica：

面內熱導率測試系統 AU-TRSD103亮點

1. 泵浦與探測光均采用連續激光，極大地降低了系統成本；

2. 無需修正泵浦光的參考相位，使得操作更簡單，測量更可靠；

3. 采用平衡探測器，極大減小了低頻噪音，加快了數據采集速度，完成一個樣品的測量僅需≤ 2分鐘；

4. 數據分析方法能同時擬合光斑尺寸，降低了光斑尺寸誤差對測量結果的影響；

5. 數據分析方法使得測量信號僅對待測樣品的面內熱導率和比熱容敏感，而無需準確知道金屬傳感層的參數或樣品的縱向熱導率，因此極大提高了測量精度；

6. 可測的面內熱導率范圍不受限制；

7. 采用微米級的光斑尺寸，因此可測徑向尺寸為亞毫米級別的小尺寸樣品。

面內熱導率測試系統 AU-TRSD103應用領域：

①材料研究與開發

②能源領域

③電子器件研究

……

標配系統測量能力：

1. 無需知道樣品的縱向熱導率，可獨立測量樣品的面內各向異性熱導率張量，面內熱導率測量范圍0.5 ? 5000 W/(m·K)，測量誤差≤ 5%；

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

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

4. 可測薄膜樣品從100 nm到無限厚；

5. 可測小尺寸樣品，徑向直徑≥ 0.05 mm；

6. 要求樣品表面粗糙度≤ 15 nm。

升級系統額外測量能力：

7. 熱導率和比熱容的成像，分辨率達1 μm；

8. 界面熱阻測量

系統基本情況：

1. 系統占光學桌面積60 cm X 60 cm，封裝于黑匣中，防塵又安全。

2. 自動化實驗測量，全程軟件操作，無需開箱進行復雜的手動調節。

3. 雙色泵浦-探測系統，標配的探測光波長為785 nm。

4. 泵浦光調制頻率的標配范圍為DC-5 MHz，可升級到50 MHz或150 MHz。

5. 采用平衡光電探測器提高信噪比，加快數據采集速度。

6. 自動校準泵浦相位（僅頻域熱反射法需要）和探測光的噪音。

7. ccd顯微成像系統清楚觀察樣品表面和光斑位置。

系統配置：

電源需求：110/220 VAC, 50/60 Hz, 15 Amp

激光波長：泵浦638 nm，探測785 nm（標配，可根據用戶需求選配）

激光功率：泵浦100 mW，探測20 mW（標配，可根據用戶需求選配）

調制頻率范圍：標配DC-5 kHz，可升級到5 MHz、50 MHz或200 MHz

顯微鏡頭：標配10x，對應激光光斑1/e2直徑約～15μm，可增配50x，20x，5x，2x鏡頭及自動切換模塊

樣品聚焦：標配手動調節，可增配PID反饋調節自動聚焦模塊

測溫范圍：標配室溫，可增配80-500 K、300-1200 K、4-300 K等不同溫區的變溫模塊

熱物性掃描：標配無，可選配，掃描范圍200μm×200μm，步進分辨率1 nm

顯微成像：標配，可觀察樣品表面狀況及激光光斑位置

軟件：全自動數據測量與分析處理、數據導出、報告生成

測量要求：

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

圖：常見金屬材料對光的吸收系數(a)和熱反射系數(b)

對于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范圍內不會因表面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測試的掃描空間范圍內的粗糙度是均勻的；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，例如泵浦和探測光斑直徑若為10μm，則該范圍約為直徑100μm的圓形區域，但為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，但不能小于該尺寸下限。

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

應用案例：

光學交流量熱法測量面內熱導率

可測熱導率范圍1~2000 W/(m·K)，誤差均小于5%

以藍寶石、單晶硅為例：

• 測得藍寶石熱導率為= 38 ± 1.49 W/(m·K)，誤差為3.9%

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

光學交流量熱法測量面內各向異性熱導率張量

面內各向異性材料

以石英晶體為例：

• 光學交流量熱法不要求激光光斑有嚴格的圓度即能準確測量面內熱導率張量，相較于文獻中較新的光斑偏移頻域熱反射法(BO-FDTR)*測量更準確可靠。

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

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