基于飞秒激光瞬态热反射技术的界面热导研究

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随着电子技术的迅速发展,材料的热学特性研究是大规模集成电路的重点研究课题,提高不同材料之间的热传导、减小界面热阻或采用较高热导率的材料成为传热物理学、材料科学以及半导体器件设计的主要研究方向。由于此项研究同时涉及到时间和空间微尺度物理效应,并且这些研究都属于当前物理传热领域以及材料领域的研究热点,因此,对界面热传导的研究在实验上以及理论上都具有重大意义。  论文基于飞秒激光瞬态热反射技术原理,搭建了飞秒激光试验台,又称为抽运一探测系统,该系统包括飞秒激光系统、光学系统、信号采集系统以及控制系统,飞秒激光系统由氨离子激光器、钛蓝宝石介质以及温度控制器组成,氩离子激光器是整个实验系统的光源,通过调节钛蓝宝石介质,可以得到实验所需要的特定频率的激光脉冲;光学系统是整个实验系统较为核心的部分,光学系统设计也是整个实验环节难度较高的部分,该设计包括光束分离、光束平行调节、光程差控制、光束漂移、光束共焦以及光束降噪,光学系统在整个实验系统中主要负责将激光脉冲分离,分别产生抽运光束与探测光束,同时实现对抽运光的频率调制,并且完成抽运探测光程差的控制,最终实现光束的完美共焦;信号采集系统由光电探测器以及锁相放大器组成,光电探测器负责将收集到的光脉冲信号转化为电信号,再通过锁相放大器的信号放大和提取,便可以得到实验所需要的低频信号。控制系统则由电脑控制完成,该系统可以实现光程差延迟系统的自动控制以及信号数据的自动收集。  基于所搭建的实验台对标准样品进行了测定,校核了该试验台的测试精度,在此基础上,对界面热导进行了测量。在微观尺度范围内,界面对于热传导的影响占主导地位,造成影响的因素可能有接触表面粗糙度、材料自身特性、环境温度以及外界压力等等,为了研究界面化学特性对界面热传导的影响,本实验准备了两种材料,其中一块样品为石墨与金属铝膜直接接触界面,第二个为石墨表面经氧等离子体处理后与铝膜接触界面,测量结果表明,第二块样品界面热导值提高了30%。经分析认为,这是由于石墨表面经氧离子照射之后,氧离子与石墨表面形成C-O不稳定共价键,溅射金属铝膜时,氧的另一个电子与金属铝相结合,增加了铝与石墨的结合强度,从而增加了声子穿越界面的概率,达到提高界面热导的效果。  同时本实验测量了不同调制频率下,界面热导值的变化,实验结果表明,在频率较低的情况下,调制频率对界面热导值影响较小。  最后本实验还测量了铝和硅之间的界面热导,测量值略小于Stevens以及Hopkins测量值,分析认为这是由于样品本身材料或者样品制各工艺的不同。
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