本發(fā)明涉及材料性質(zhì)表征技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種具有帶孔的襯底、能夠?qū)^對(duì)溫度的測(cè)量精度的要求降低、簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過程的一種測(cè)量薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有測(cè)量薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的方法包括拉曼頻移方法、光學(xué)泵浦-探測(cè)技術(shù)等，其共同缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)前的校準(zhǔn)過程過于復(fù)雜；紅外熱成像技術(shù)有測(cè)量速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是使用紅外熱成像技術(shù)確定薄膜面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)通常使用埃格斯特朗方法，其缺點(diǎn)是對(duì)樣品上照亮區(qū)域的定位精度要求較高，即需要聚焦激光束，從而會(huì)增加樣品損壞的風(fēng)險(xiǎn)。所述一種測(cè)量薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的裝置能解決這一問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決上述問題，本發(fā)明是用于測(cè)量薄膜的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)的紅外熱成像裝置，通過可見光加熱待測(cè)薄膜，并使用帶孔的襯底作為導(dǎo)熱槽，以使得待測(cè)薄膜產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)溫度梯度。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
所述一種測(cè)量薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的裝置主要包括襯底、待測(cè)薄膜、位移臺(tái)、光電二極管、可見光源、紅外攝像機(jī)、透孔、計(jì)算機(jī)，所述襯底位于樣品架上，樣品架能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要移除，所述襯底由銅制成，所述待測(cè)薄膜位于所述襯底上面，所述光電二極管連接所述位移臺(tái)下側(cè)，所述位移臺(tái)能夠在距離所述待測(cè)薄膜上方某一高度的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，所述可見光源位于所述襯底下方，所述紅外攝像機(jī)固定于所述襯底正上方且高于所述位移臺(tái)，所述可見光源從所述襯底下方向上照射，所述待測(cè)薄膜和所述襯底吸收光的能量后產(chǎn)生熱流，通過對(duì)薄膜溫度增量、光照能量密度、薄膜的光吸收率、薄膜厚度等參數(shù)的計(jì)算能夠得到薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)；當(dāng)所述襯底上的所述透孔為半徑r的圓形，所述待測(cè)薄膜厚度很小，以致于能夠使得所述透孔上方部分的所述待測(cè)薄膜對(duì)光吸收是均勻的，在柱坐標(biāo)系中簡(jiǎn)化為一維問題，有
所述襯底具有貫穿上下表面的形狀一致的若干透孔，所述透孔上方的所述待測(cè)薄膜部分的熱分布取決于所述透孔的形狀，所述襯底能夠作為導(dǎo)熱通道，其具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)以快速將多余熱量傳輸走，使得所述待測(cè)薄膜產(chǎn)生溫度梯度，所述襯底又能夠作為光掩膜，其反射了大部分入射光，因此即使在可見光源的最高光強(qiáng)照射下，所述襯底溫度的上升在1k之內(nèi)。
所述襯底厚度典型值0.5毫米，當(dāng)所述襯底上的所述透孔為半徑r的圓形，所述透孔直徑范圍0.2至1毫米；所述待測(cè)薄膜的大小范圍10×10平方毫米至10×10平方微米；所述光電二極管直徑典型值80微米。
利用所述一種測(cè)量薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)步驟為：
一.確定所述待測(cè)薄膜厚度，將所述待測(cè)薄膜置于一個(gè)平整的玻璃襯底表面，使用輪廓儀測(cè)量其厚度；
二.由紫外-可見光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量所述待測(cè)薄膜對(duì)所述可見光源波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光的吸收率；
三.將所述待測(cè)薄膜轉(zhuǎn)移到所述襯底上；
四.所述可見光源從所述襯底下方發(fā)射可見光；
五.此時(shí)未安裝所述樣品架、襯底和待測(cè)薄膜，可見光源發(fā)出的光直接進(jìn)入所述光電二極管，所述位移臺(tái)在距離所述待測(cè)薄膜上方某一高度的平面內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)所述光電二極管采集光信號(hào)，并由計(jì)算機(jī)處理后得到二維的照明光功率密度分布圖；
六.由上述步驟二中得到的薄膜的光吸收率以及步驟五中得到的照明光功率密度，計(jì)算一定熱流量條件下所述待測(cè)薄膜的區(qū)域吸收功率密度pabs；
七.安裝所述樣品架、襯底和待測(cè)薄膜，水平方向移動(dòng)所述位移臺(tái)使其遠(yuǎn)離所述襯底，所述紅外攝像機(jī)采集所述待測(cè)薄膜發(fā)出的紅外光，并進(jìn)行成像，進(jìn)而得到所述待測(cè)薄膜的溫度分布，在所述襯底上選取不同的透孔處重復(fù)測(cè)量，通過平均數(shù)據(jù)及分析計(jì)算可得到近鄰?fù)缚字行牡臏囟确植记剩?/p>
八.根據(jù)近鄰?fù)缚字行牡臏囟确植记?、吸收功率密度pabs和所述待測(cè)薄膜厚度d，通過計(jì)算確定所述待測(cè)薄膜的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)k||。
本發(fā)明的有益效果是：
所述一種測(cè)量薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，通過帶孔的襯底來使得待測(cè)薄膜產(chǎn)生溫度梯度，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過程，由于溫度分布曲率能夠通過測(cè)量局域溫度差異來得到，對(duì)絕對(duì)溫度的測(cè)量精度的要求降低了。
附圖說明
下面結(jié)合本發(fā)明的圖形進(jìn)一步說明：
圖1是本發(fā)明示意圖。
圖中，1.襯底，2.待測(cè)薄膜，3.位移臺(tái)，4.光電二極管，5.可見光源，6.紅外攝像機(jī)，7.透孔。
具體實(shí)施方式
如圖1是本發(fā)明示意圖，主要包括襯底1、待測(cè)薄膜2、位移臺(tái)3、光電二極管4、可見光源5、紅外攝像機(jī)6、透孔7、計(jì)算機(jī)，所述襯底1位于樣品架上，樣品架能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要移除，所述襯底1由銅制成，所述待測(cè)薄膜2位于所述襯底1上面，所述光電二極管連接所述位移臺(tái)下側(cè)，所述位移臺(tái)3能夠在距離所述待測(cè)薄膜2上方某一高度的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，所述可見光源5位于所述襯底1下方，所述紅外攝像機(jī)6固定于所述襯底1正上方且高于所述位移臺(tái)3，所述可見光源5從所述襯底1下方向上照射，所述待測(cè)薄膜2和所述襯底1吸收光的能量后產(chǎn)生熱流，通過對(duì)薄膜溫度增量、光照能量密度、薄膜的光吸收率、薄膜厚度等參數(shù)的計(jì)算能夠得到薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)；當(dāng)所述襯底1上的所述透孔為半徑r的圓形，所述待測(cè)薄膜2厚度很小，以致于能夠使得所述透孔7上方部分的所述待測(cè)薄膜2對(duì)光吸收是均勻的，在柱坐標(biāo)系中簡(jiǎn)化為一維問題，有
r2π·pabs＝2rπ·d·qr(r)，其中d是所述待測(cè)薄膜2厚度，pabs是所述待測(cè)薄膜2的區(qū)域吸收功率密度，再應(yīng)用r＝r處的邊界條件t(r＝r)＝ts，ts是襯底溫度，得到所述待測(cè)薄膜2的溫度分布
以上使用的簡(jiǎn)單的邊界條件沒有考慮透孔上方薄膜中心處到孔邊緣上方薄膜處的形狀變化，但是，這個(gè)形狀變化受透孔邊界處熱接觸電阻的影響，導(dǎo)致溫度分布產(chǎn)生一個(gè)附加的常數(shù)的偏移，這個(gè)偏移項(xiàng)可以包含到襯底的有效溫度中。因此，k||能夠直接由近鄰孔中心的溫度分布曲率、吸收功率密度pabs和所述待測(cè)薄膜2厚度d決定。由于溫度分布曲率能夠通過測(cè)量局域溫度差異來得到，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)絕對(duì)溫度的測(cè)量精度的要求減小了。
所述襯底1具有貫穿上下表面的形狀一致的若干透孔7，所述透孔7上方的所述待測(cè)薄膜2部分的熱分布取決于所述透孔7的形狀，所述襯底1能夠作為導(dǎo)熱通道，其具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)以快速將多余熱量傳輸走，使得所述待測(cè)薄膜2產(chǎn)生溫度梯度，所述襯底1又能夠作為光掩膜，其反射了大部分入射光，因此即使在可見光源5的最高光強(qiáng)照射下，所述襯底1溫度的上升在1k之內(nèi)；
所述襯底1厚度典型值0.5毫米，當(dāng)所述襯底1上的所述透孔7為半徑r的圓形，所述透孔7直徑范圍0.2至1毫米；所述待測(cè)薄膜2的大小范圍10×10平方毫米至10×10平方微米；所述光電二極管4直徑典型值80微米。