本發(fā)明屬于微納米尺度熱系數(shù)測量領(lǐng)域，特別是涉及一種基于微納熒光顆粒的薄膜熱導(dǎo)率測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體器件、微機電系統(tǒng)(mems)、超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，微納米薄膜材料的熱導(dǎo)率對于器件的散熱越來越重要。例如，在運行高密度的集成電路時，必需要把產(chǎn)生的熱量盡快散發(fā)掉，以減少熱噪聲從而影響到cpu速度的提高。顯然，計算機所用薄膜材料的熱導(dǎo)率直接關(guān)系到其中芯片以及集成電路散熱的能力。此外，熱導(dǎo)率也影響著薄膜的制備，微尺度傳熱研究可以對薄膜成核生長和使用過程的熱傳輸做出計算，熱物理參數(shù)是保證這種模擬可靠的關(guān)鍵。由于微尺度下薄膜材料具有量子效應(yīng)、表面及界面效應(yīng)使得微尺度傳熱有著更明顯的尺寸效應(yīng)。

目前雖然有一些薄膜材料熱導(dǎo)率的測試方法已被報道，但其測量方法中誤差等不確定因素較多，且測量較為繁瑣。薄膜材料的熱導(dǎo)率測量中溫度測量尤為重要為。較為成熟的測量方法為cahill的3ω法(cahilldg.thermalconductivitymeasurementfrom30to750k:the3ωmethod[j].reviewofscientificinstruments,1990,61(2):802-808.)，主要采用傳統(tǒng)的溫度測量即在待測薄膜表面鍍金屬層，通過電阻的變化來表征薄膜表面溫度的變化。該方法能夠測量尺寸極小的薄膜樣品且能有效減小黑體輻射引起的測量誤差。該方法缺點也較為明顯，3ω法未考慮金屬層與待測膜的界面熱阻、膜的各向異性以及金屬條形狀厚度對測量結(jié)果都有較大的影響，同時在光刻金屬層過程可能會對膜造成損傷，產(chǎn)生缺陷，對聲子的散射影響較大，降低材料的熱導(dǎo)率。perichon等人提出了基于顯微拉曼(raman)光譜的薄膜熱導(dǎo)率測量方法(perichons,lysenkov,remakib,etal.measurementofporoussiliconthermalconductivitybymicro-ramanscattering[j].journalofappliedphysics,1999,86(8):4700-4702.)，其原理主要基于raman光譜效即：使用激光束照射被測試樣，會在照射處引起試樣的局部溫升，該溫升與試樣的熱導(dǎo)率直接相關(guān)，同時被測試樣的raman譜峰位置與試樣的溫度有對應(yīng)關(guān)系。該方法采用光學(xué)方法進行薄膜熱導(dǎo)率的測量，通過raman峰的位移量來表征待測薄膜表面的溫度，對待測薄膜不產(chǎn)生損傷?；趓aman法測量薄膜熱導(dǎo)率測量不同材料的膜都得重新標定待測膜raman譜峰位移量與溫度的關(guān)系，且該方法具有一定的局限性，只能用于測量raman峰位移量與溫度具有較好線性關(guān)系的材料。

微納熒光顆粒受到一定波長的激光照射其激發(fā)態(tài)的發(fā)光原子在外來輻射場的作用下，向低能態(tài)或基態(tài)躍遷時，輻射光子產(chǎn)生熒光現(xiàn)象。由于受量子尺寸效應(yīng)和介電限域效應(yīng)的影響，半導(dǎo)體微納熒光顆粒顯示出獨特的發(fā)光特性。主要表現(xiàn)為：(1)半導(dǎo)體微納熒光顆粒的發(fā)光性質(zhì)可以通過改變微納熒光顆粒的尺寸來加以調(diào)控；(2)半導(dǎo)體微納熒光顆粒具有較大的斯托克斯位移和較窄而且對稱的熒光譜峰(半高全寬只有40nm)；(3)半導(dǎo)體微納熒光顆粒具有較高的發(fā)光效率。在其他影響因素中，溫度的變化對微納熒光顆粒發(fā)射光子的性質(zhì)有著很大的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于微納熒光顆粒的薄膜熱導(dǎo)率測量系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中3ω法測量薄膜熱導(dǎo)率時界面熱阻、膜的各向異性以及金屬條形狀厚度和薄膜損傷等對熱導(dǎo)率造成影響以及利用顯微raman法測量局限性大等的問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種所述測量系統(tǒng)至少包括：樣品結(jié)構(gòu)模塊、成像光路模塊以及激光發(fā)射和光譜測量模塊；

所述樣品結(jié)構(gòu)模塊至少包括襯底、待測薄膜、吸收熱源和微納熒光顆粒；其中，所述待測薄膜置于所述襯底上，所述吸收熱源和微納熒光顆粒放置在所述待測薄膜表面；或者所述微納熒光顆粒直接放置在所述襯底上；

所述成像光路模塊安裝在所述樣品結(jié)構(gòu)模塊的上方，用于提取所述待測薄膜的形狀特征參數(shù)；

所述激光發(fā)射和光譜測量模塊用于照射待測薄膜以使所述吸收熱源吸收激光能量產(chǎn)生熱量，同時使微納熒光顆粒受到激光激發(fā)產(chǎn)生熒光，并對光譜進行測量。

優(yōu)選地，所述成像光路模塊至少包括光源、第一半透半反射鏡、選擇窗口、物鏡以及圖像傳感器；

所述選擇窗口包括有反射鏡一側(cè)和無反射鏡一側(cè)；

從所述光源發(fā)出的光通過所述第一半透半反射鏡的反射作用進入所述選擇窗口無反射鏡一側(cè)，再經(jīng)過物鏡聚焦在所述待測薄膜表面，反射的光原路返回，通過所述第一半透半反射鏡的透射作用進入所述圖像傳感器，最后傳給計算機成像，從而提取到所述待測薄膜的形狀特征參數(shù)。

優(yōu)選地，所述激光發(fā)射和光譜測量模塊至少包括：可調(diào)功率激光器、第二半透半反射鏡、濾鏡以及光譜儀；

從所述可調(diào)功率激光器發(fā)出的激光通過所述第二半透半反射鏡的透射作用進入所述選擇窗口有反射鏡一側(cè)，反射的光再經(jīng)過所述物鏡聚焦在所述待測薄膜表面，使待測薄膜表面的微納熒光顆粒受激發(fā)產(chǎn)生熒光以及使所述吸收熱源吸收激光能量產(chǎn)生熱量，所述微納熒光顆粒激發(fā)的熒光沿原光路返回并通過所述第二半透半反射鏡的反射作用進入濾鏡，通過所述濾鏡將熒光中含有入射激光波長的光濾掉，濾后的熒光入射至所述光譜儀中，最后將光譜數(shù)據(jù)傳給計算機。

優(yōu)選地，所述樣品結(jié)構(gòu)模塊放置在腔體中；

所述腔體頂部設(shè)置有正對樣品的透射窗口，所述成像光路模塊以及所述激光發(fā)射和光譜測量模塊所發(fā)出的光均通過所述透射窗口照射到所述待測薄膜表面；

所述腔體底部設(shè)置有微調(diào)臺，用于調(diào)整真空腔體中樣品的水平度。

優(yōu)選地，所述腔體若為真空腔體，則所述真空腔體通過真空管分別連接一分子泵、機械泵以及真空計，以保證所述真空腔體內(nèi)的真空效果。

優(yōu)選地，所述透射窗口為石英玻璃窗口，所述微調(diào)臺為手動微調(diào)臺。

優(yōu)選地，所述襯底為平面襯底結(jié)構(gòu)或者具有凹槽的襯底結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，在所述待測薄膜表面放置2個或2個以上的所述微納熒光顆粒，所述待測薄膜的形狀特征參數(shù)包括待測薄膜的懸空寬度w、厚度h以及兩個微納熒光顆粒之間的距離l。

優(yōu)選地，在所述待測薄膜表面放置1個所述微納熒光顆粒，所述待測薄膜的形狀特征參數(shù)包括待測薄膜的懸空寬度w、懸空長度l以及厚度h。

優(yōu)選地，所述襯底放置在一樣品臺上。

優(yōu)選地，所述樣品臺為加熱臺，與所述加熱臺相連有控溫儀。

優(yōu)選地，所述吸收熱源為碳顆粒、微液滴、量子點或量子團簇。

優(yōu)選地，所述微納熒光顆粒包括pbse、cdse、cdte、cdse/zns、znse、pbs/cds、ag2te、inp/zns、zncuins/znse/zns、石墨烯量子點或量子團簇中的一種或多種的組合。

如上所述，本發(fā)明的基于微納熒光顆粒的薄膜熱導(dǎo)率測量系統(tǒng)，具有以下有益效果：

1、在薄膜熱導(dǎo)率測量中首次引入微納熒光顆粒，以微納熒光顆粒作為溫度傳感器，由于其粒徑小同時可以很好的貼合在被測物體上對測量結(jié)果產(chǎn)生的界面溫度差可以忽略不計且對被測物體無熱擾動對測量結(jié)果不、無熱擾動，重復(fù)性好。

2、測量中主要通過光學(xué)方法來實現(xiàn)，不會對樣品造生損傷，且在測量時無需對樣品進行結(jié)構(gòu)上的加工避免制樣上的繁瑣。

3、薄膜熱導(dǎo)率測量過程中只需一次標定微納熒光顆粒pl譜峰位移量與溫度的關(guān)系，且微納熒光顆粒溫度線性關(guān)系良好，使在熱導(dǎo)率測量過程中溫度的確定更為方便、更為精確。

4、基于微納熒光顆粒的薄膜熱導(dǎo)率測量系統(tǒng)對所測量的薄膜種類沒有限制。

5、基于微納熒光顆粒的薄膜熱導(dǎo)率測量系統(tǒng)降低了熱對流對測量結(jié)果的影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例中樣品結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明另一實施例中樣品結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明微納熒光顆粒的薄膜熱導(dǎo)率測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖及成像光路模塊的光路圖。

圖4為本發(fā)明微納熒光顆粒的薄膜熱導(dǎo)率測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖及激發(fā)射和光譜測量模塊的光路圖。

元件標號說明

1物鏡

2選擇窗口

3001第一半透半反射鏡

3002第二半透半反射鏡

4待測樣品

5反射鏡

6濾鏡

7光源

8可調(diào)功率激光器

9光譜儀

10計算機

11ccd

12分子泵

13機械泵

14真空計

15微調(diào)臺

16透射窗口

17加熱臺

18腔體

19控溫儀

2001、2002usb通信線

2101、2012、2103真空管

22串口線

23襯底

24吸收熱源

25、251、252微納熒光顆粒

26待測薄膜

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。

根據(jù)薄膜熱導(dǎo)率的公式，k＝αχ/ω*(wh/l)^-1，其中α是吸收熱源的光功率吸收系數(shù)，χ是微納熒光顆粒的溫度系數(shù)(即pl光譜特征峰的位移隨溫度變化的系數(shù))，ω是微納熒光顆粒的pl光譜特征峰的位移隨激光功率變化的關(guān)系斜率，w、h、l為待測薄膜的形狀參數(shù)。

為了測量上述參數(shù)，本發(fā)明提供一種基于微納熒光顆粒的薄膜熱導(dǎo)率測量系統(tǒng)，從而獲得薄膜的熱導(dǎo)率。

如圖3和4所示，本實施例提供一種基于微納熒光顆粒的薄膜熱導(dǎo)率測量系統(tǒng)，藉由該系統(tǒng)可以完成上述熱導(dǎo)率的測量，所述測量系統(tǒng)至少包括：樣品結(jié)構(gòu)模塊、成像光路模塊以及激發(fā)射和光譜測量模塊。

其中，如圖1所示，樣品結(jié)構(gòu)模塊至少包括襯底23、待測薄膜26、吸收熱源24和微納熒光顆粒251、252；所述待測薄膜26置于所述襯底23上，所述吸收熱源24和微納熒光顆粒251、252放置在所述待測薄膜26表面，或者所述微納熒光顆粒251、252直接放置在所述襯底23上。

當然，在其他實施例中，所述樣品結(jié)構(gòu)模塊中的微納熒光顆粒也可以是1個，如圖2所示微納熒光顆粒25。另外，所述樣品結(jié)構(gòu)模塊中的微納熒光顆粒也可以是兩個以上。

所述待測薄膜26可以以懸空或者非懸空方式放置在所述襯底23上。如圖1和2所示襯底23為凹槽襯底，此時所述待測薄膜26懸空在所述襯底23的凹槽上，這樣可以對待測薄膜26本身進行熱導(dǎo)率測量。實際上，所述待測薄膜26也可以直接放置在一平面襯底上，進行綜合有效熱特性的測量。

為了測量所述微納熒光顆粒的溫度系數(shù)，所述微納熒光顆粒可以放置在待測薄膜26上加熱，也可以直接放置在襯底23上加熱。

所述襯底23優(yōu)選放置在一樣品臺上。更優(yōu)選地，如圖3和圖4所示，所述樣品臺可以為加熱臺17，與所述加熱臺17相連有控溫儀19。這樣，所述加熱臺17上既可以放置襯底23，而且加熱臺17本身也可以對微納熒光顆粒進行加熱，從而實現(xiàn)對微納熒光顆粒溫度系數(shù)的測量。最優(yōu)選地，所述加熱臺17通過串口線22連接至控溫儀19。

需要說明的是，所述襯底23也可以放置在一普通樣品臺上，這時所述微納熒光顆粒則通過其他合適的加熱模塊進行加熱。

作為示例，所述吸收熱源24可以為碳顆粒、微液滴、量子點或量子團簇等等，在此不限，只要與待測薄膜26有很好的熱接觸并且具有已知的光功率吸收系數(shù)的都行。

所采用的微納熒光顆?？梢允莗bse、cdse、cdte、cdse/zns、znse、pbs/cds、ag2te、inp/zns、zncuins/znse/zns、或石墨烯量子點或量子團簇中的一種或多種的組合，當然，本發(fā)明的微納熒光顆粒也可以是非量子點，在此不做限制。

所述微納熒光顆粒的粒徑小，粒徑小的微納熒光顆?？梢院芎玫馁N合在被測物體上對測量結(jié)果產(chǎn)生的界面溫度差可以忽略不計且對被測物體無熱擾動對測量結(jié)果不、無熱擾動，重復(fù)性好。

本系統(tǒng)中，所述成像光路模塊安裝在所述樣品結(jié)構(gòu)模塊的上方，用于提取所述待測薄膜26的形狀特征參數(shù)。通過所述成像光路模塊，可以觀察獲得待測薄膜26的形貌及形狀特征參數(shù)，如待測薄膜26的懸空寬度w、厚度h以及兩處微納熒光顆粒251、252之間的距離l(或者待測薄膜26的懸空長度)。

具體地，如圖3和圖4所示，所述成像光路模塊至少包括光源7、第一半透半反射鏡3002、選擇窗口2、物鏡1以及圖像傳感器(ccd)11等等。

所述選擇窗口2包括有反射鏡5一側(cè)和無反射鏡一側(cè)。如圖3所示為所述成像光路模塊的光路圖。從所述光源7發(fā)出的光通過所述第一半透半反射鏡3002的反射作用進入所述選擇窗口2無反射鏡一側(cè)，再經(jīng)過物鏡1聚焦在所述待測薄膜26表面，反射的光原路返回，通過所述第一半透半反射鏡3002的透射作用進入所述圖像傳感器11，最后通過usb通信線2002傳給計算機10成像，從而提取到所述待測薄膜26的形狀特征參數(shù)w、h和l。

作為示例，所述光源優(yōu)選地為白光光源，當然，在其他實施例中，所述光源也可以是其他適合的光源模式。

另外，本系統(tǒng)中，所述激光發(fā)射和光譜測量模塊用于照射待測薄膜26以使所述吸收熱源24吸收激光能量產(chǎn)生熱量，同時使微納熒光顆粒受到激光激發(fā)產(chǎn)生熒光，并對光譜進行測量。

具體地，如圖4所示，所述激光發(fā)射和光譜測量模塊至少包括：可調(diào)功率激光器8、第二半透半反射鏡3001、濾鏡以6及光譜儀9等等。

如圖4所示光路圖，從所述可調(diào)功率激光器8發(fā)出的激光通過所述第二半透半反射鏡3001的透射作用進入所述選擇窗口2有反射鏡5一側(cè)，反射的光再經(jīng)過所述物鏡1聚焦在所述待測薄膜26表面，使待測薄膜26表面的微納熒光顆粒受激發(fā)產(chǎn)生熒光以及使所述吸收熱源24吸收激光能量產(chǎn)生熱量，所述微納熒光顆粒激發(fā)的熒光沿原光路返回并通過所述第二半透半反射鏡3001的反射作用進入濾鏡6，通過所述濾鏡6將熒光中含有入射激光波長的光濾掉，濾后的熒光入射至所述光譜儀9中，最后通過usb通信2001線將光譜數(shù)據(jù)傳給計算機10。

通過所述激光發(fā)射和光譜測量模塊，一方面可以聯(lián)合加熱模塊實現(xiàn)微納熒光顆粒溫度系數(shù)χ的測量，另一方面，通過激光發(fā)射和光譜測量可以實現(xiàn)系數(shù)ω的測量。

更進一步地，將所述樣品結(jié)構(gòu)模塊放置在一腔體中。

所述腔體18頂部設(shè)置有正對樣品的透射窗口16，所述成像光路模塊以及所述激光發(fā)射和光譜測量模塊所發(fā)出的光均通過所述透射窗口16照射到所述待測薄膜26表面。所述透射窗口16可以是石英玻璃窗口，當然，還可以用透射率在95％以上的其他透明窗口代替，在此不作限制。

所述腔體18底部設(shè)置有微調(diào)臺15，用于調(diào)整真空腔體18中樣品的水平度。所述微調(diào)臺15可以是手動微調(diào)臺，當然也可以用其他微調(diào)臺代替，在此不限。

另外，所述腔體18可以是真空或非真空腔體。優(yōu)選地，所述腔體18選擇為真空腔體，此時，所述真空腔體可以通過真空管2101、2102、2103分別連接一分子泵12、機械泵13以及真空計14，以保證所述真空腔體內(nèi)的真空效果。

需要說明的是，本系統(tǒng)中，成像光路模塊的功能模塊和光譜測量的功能模塊還可以都集成于光譜儀中，利用一臺光譜儀實現(xiàn)多種功能。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。