飞秒激光热反射法测量Ai-Si界面热导 田霞.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143692 飞秒激光热反射法测量Ai-Si界面热导 田霞1，2，王照亮1，*，祝捷2，唐大伟2 （1中国石油大学（华东）热能与动力工程系，青岛 266580） （2中国科学院工程热物理研究所，北京 100190） (*Tel: Email：wzhaoliang@126.com) 摘要：本文采用飞秒激光抽运—探测热反射法在300K下测量了不同铝膜厚度的Al-Si双层平行结构的界面热导和热导率，在实际测量之前分别对热导率和界面热导进行了敏感度分析，发现测量热导率和的低频段，不同的材料调制频率 关键词：Al-Si，敏感度，界面热导，飞秒激光热反射法 1 引言 微电子技术的快速发展使电子器件和系统的特征尺寸达到了纳米量级，当纳米器件或结构的尺寸小于或相当于载流粒子的平均自由程时，因不同材料界面接触产生的热阻变得不可忽略[1-2]，同时也给电子器件的散热带来极大挑战。与此同时，激光技术的进步使得脉冲激光的脉宽从纳秒级别向飞秒级别跨越，提高了空间分辨率，为研究纳米结构热输运过程提供了实验手段。因此研究多层纳米结构的界面热导是必要而且可行的。 所谓界面热阻是指不同材料间相互接触的界面产生的热阻，其倒数称为界面热导。发展至今较为成熟的实验手段有瞬态光热反射法[3-5]、3ω法[6-7]、飞秒激光抽运—探测热反射法[8]。祝捷[8]采用FDTR测量得到的Al-Si界面热导为250 MW/（m2K），基底热导率为140W/(m?K)。朱丽丹[9]在皮秒时域内?K)；厚度为198nm时界面热导为83.3MW/（m2K），基底热导率为139W/(m?K)。 不同材料的热传导机理不同 本文采用飞秒激光抽运—探测热反射法在300K下测量了传输层厚度分别为50nm、200nm、300nm的Al-Si样品的界面热导和基底热导率，分析了调制频率的敏感度， 基金项目：国家自然科学基金（No.；重大科学研究计划（No. 2012CB933200 图1 飞秒激光热反射法测量原理图 假设样品为各向同性材料，具有双层平行结构的样品的热输运模型已有大量文献进行过描述，本文采用祝捷论文中的热输运模型[8]。锁相放大器采集到的探测信号为： (1) 分别提取其同相信号Vin和反相信号Vout: (2) (3) 在数据拟合时，我们采用同相信号与反相信号之比-Vin/Vout来进行拟合，通过不断调整未知热物性参数的取值使得理论曲线和实验测量曲线尽可能的趋于一致，此时得到的热物性参数即为待求的样品材料热物性值。 2.2实验系统 图2 飞秒激光热反射法实验系统光路图 本论文采用的是中国科学院工程热物理研究所提供的飞秒激光抽运—探测热反射试验系统，其光路示意图如图2所示。 由Ti:Sapphire激光器发出的波长为800nm、频率为80MHz、脉冲宽度为150fs的脉冲激光通过光隔离器后在偏振棱镜处分为抽运激光和探测激光。抽运激光经过倍频器后波长变为原来的一半，实现了双波长系统从而可尽可能的降低抽运光对探测信号的干扰；为了避免探测光路程太长导致的光束发散，对其进行扩束，然后探测光经过位移平台制造一个相对于抽运光的延迟时间后在冷镜处与抽运光会合共同经过10倍光学物镜聚焦在样品表面。探测光路上的四分之一波片和偏振棱镜只允许样品表面原路返回的探测光进入探测器，进而通过锁相放大器提取测量信号。 3敏感度分析确定最佳调制频率 根据热渗透深度L(，其中α是待测材料的热导率，f为调制频率)的定义得知：在调制频率一定的条件下，热渗透深度会随着材料热导率的增大而增大，会随着频率的减少而增大。对于多层结构样品，当热渗透深度太小时，热量传输不到待测材料层，无法测量接触层产生的界面热导，热渗透深度过大又会使待测薄膜相对足够薄可近似为一层界面，这种情况下只能得到一个有效热导率而无法得到各自独立地热物性参数，因此对于不同热导率的待测材料，确定最佳测量频率变得很有必要。Liu Jun[13] 同样采用TDTR进行了敏感度最佳调制频率后对内准确得到了材料的热导率和比热容。 (4) 其中是被拟合的未知参数，为锁相放大器信号，为锁相放大器信号对该未知参数x的敏感度。