يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

تقنية الانعكاس الحراري في مجال التردد لقياسات الخصائص الحرارية

2K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/68908

⸱

ديسمبر 5, 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Theoretical and Applied Mechanics, Northwestern University, 2Department of Mechanical Engineering, Northwestern University, 3Institute of Engineering Innovation, The University of Tokyo, 4Department of Physics, Wellsley College, 5Department of Chemical Engineering and Materials Science, Michigan State University, 6Department of Mechanical Engineering, The University of Tokyo, 7Department of Materials Science and Engineering, Northwestern University

في هذه المقالة

ملخص

تقدم هذه المقالة تقنية الانعكاس الحراري في مجال التردد (FDTR) لتوصيف وتصوير الحرارة غير التدميرية المحلية.

الملخص

تقنية الانعكاس الحراري في مجال التردد (FDTR) هي طريقة غير مدمرة لتوصيف الحرارة والتصوير باستخدام دقة مكانية على نطاق دقيق جدا. تعتمد التقنية على ليزر مضخة لتوليد تغير درجة حرارة معدل في العينة، وعلى ليزر مسبار لمراقبة الاستجابة الحرارية المحلية للعينة. يتم تحديد الخصائص الحرارية للعينة عن طريق تركيب نموذج حراري على استجابة العينة للانعكاس الحراري. تقدم هذه المقالة بروتوكولات مفصلة لتنفيذ التقنية وإجراء قياسات محلية لموصلية الحرارة المحلية للركيزة. يخصص اهتمام خاص لمناقشة كيفية تأثير القياس على معلمات مصدر الليزر، ومصادر الخطأ في قياس FDTR، وقياس عدم اليقين في القياس. وأخيرا، نناقش تجربة تصوير التوصيل الحراري التي أجريت بالقرب من واجهة رأسية واحدة بين ركائز سيليكون ذات بلورة واحدة مرتبطة بتنشيط سطحي. يتم تقليل التوصيل الحراري عند الواجهة بنسبة 3٪ مقارنة بالقيمة الكلية في البلورات المفردة المجاورة. قد تسهل القدرة على فحص خصائص الحرارة التفاعلية مع تقنية FDTR دراسات محلية لتدفق الحرارة حول حدود الحبيبات الفردية، خاصة في المواد الحرارية الكهربائية، حيث يمكن ضبطها لتحسين أداء الأجهزة الحرارية.

المقدمة

تعد أدوات القياس الحراري وتوصيف حاسمة لتصميم وتحسين المواد المتقدمة المستخدمة، على سبيل المثال، في المولدات الحرارية الكهربائية وتطبيقات التبريد 1,2. المواد ذات التوصيل الحراري المنخفض والموصلية الكهربائية العالية تفضل عموما في هذه التطبيقات للحفاظ على تدرج درجة حرارة كبير بين الوصلات الساخنة والباردة ولتحقيق تحويل طاقة حرارية إلى كهربائية بكفاءة. تحقيق هذه الخصائص المتباينة في المواد البلورية السائبة أمر صعب. ومع ذلك، فإن هندسة الهياكل الدقيقة من خلال إدخال عيوب نقطية وعيوب الواجهة (مثل حدود الحبيبات) هي اتجاه واعد لتصميم مواد حرارية كهربائية عالية الأداء1. ركزت غالبية دراسات التوصيل الحراري المتحكم بها بحدود الحبيبات (GB) بشكل رئيسي على حجم الحبيبات كخاصية هيكلية أساسية ذات أهمية 2,3,4,5، لأنها تفتقر إلى الدقة المكانية لاستكشاف البيئة الحرارية المحلية للجيرابيت. يمكن للقياس الحراري على المستويين الدقيق والنانوي أن يوفر معلومات محلية حول كيفية تدفق الحرارة بالقرب من الجيجابايت الفردية. على سبيل المثال، كشفت قياسات التصوير الحراري المجهري الحديثة التي أجراها إيسوتا وآخرون 6,7 أن التوصيل الحراري الكلي (κ) يتم قمعه محليا بالقرب من التوصيلية الحرارية الفردية في التيلورايدات متعددة البلورات (SnTe) والسيليكون من القصدير متعدد البلورات. تم ربط الكبت الملحوظ κ بخصائص مختلفة من GB، بما في ذلك زاوية انحراف الاتجاه، خشونة مستوى GB الكبير، كثافة التماثل النانوتيكي، والمسامية. يمكن لهذه الأنواع من القياسات تسهيل ضبط كتلة κ من خلال توفير معلومات محلية عن علاقة البنية الدقيقة مع κ. مع استمرار الاهتمام بالتأثيرات المحلية للعيوب على κ، ستصبح كل من النهجالحسابي 8 والتجريبي 9,10 التي توفر رؤى لهذه المساهمات أكثر أهمية.

تستخدم طرق الانعكاس الحراريالبصري 11,12,13,14,15 على نطاق واسع في القياس الحراري غير التدمر للمواد الصلبة الكبيرة، والشبكات الفائقة للأغشية الرقيقة، والواجهات. تستخدم الطرق ليزرات فائقة السرعة أو معدلة بشدة لتسخين العينة محليا وفحص استجابتها الحرارية بدقة عالية التردد أو الزمني16، مما يجعلها مثالية لتوصيف الخصائص الحرارية الفيزيائية. تعد تقنيات الانعكاس الحراري، بما في ذلك الانعكاس الحراري في المجال الزمني (TDTR)13,16 والانعكاس الحراري في مجال التردد (FDTR)17,18، من أكثر طرق القياس الحراري عالية الدقة شيوعا. يستخدم FDTR ليزر مضخة معدل بتركيز الشدة لتوليد مصدر حرارة دوري محلي في العينة. يتم تحويل تغير درجة حرارة العينة الناتج إلى إشارة انعكاس حراري تعتمد على تردد التعديل وتسجل بواسطة مضخم قفل الدخل. لتسهيل القياس، يتم ترسيب طبقة رقيقة من المحول بمعامل انعكاس حراري كبير19 عند طول موجة ليزر المسبار على العينة. أما تقنية TDTR، فتستخدم ليزرات مضخات ومسبار فائقة السرعة، ويتم مراقبة إشارة الانعكاس الحراري العابر لطبقة المحول عند تأخيرات زمنية مختلفة بين ليزر المضخة والليزر، بدقة زمنية بيكوثانية.

توفر تقنيات الانعكاس الحراري دقة مكانية جانبية على المقياس الدقيق لاستكشاف الخصائص الحرارية الفيزيائية، ويمكن تكوين القياسات لتوصيف كل من κ متساوي الخواص ومتجانسة الخواص من المواد. مؤخرا، استخدم سود وآخرون تقنية TDTR لرسم خريطة عدم التجانس المحلي ل κ في الماس متعدد البلورات المطعم بالبورون، والتي كانت مرتبطة بتصوير حيود الإلكترون-العكسي. في قياساتهم، كانت المناطق في العينة ذات الحبيبات الصغيرة تحتوي على κ أقل مقارنة بالقيمة الكبيرة. ومع ذلك، لم تظهر قياساتهم ما إذا كان كبت κ ناتجا عن صغر حجم الحبيبات أو الجيبايتات المقاومة. بعد هذا العمل، أظهر إيسوتا وآخرون أن كبت κ المحلي حول الجيتارات الواحدة الفردية، الذي لوحظ في خرائط FDTR على المستوى الميكروي ل SnTe، وهو مادة حرارية كهربائية متوسطة الحرارة، مرتبط مباشرةبزاوية انحراف التوجيه 6، والتي تم التنبؤ بها نظريا فقط 20,21,22,23 أو نادرا ما تقاس في GBs المصنعة 24. مقارنة بنهج TDTR المستخدم من قبل سود وآخرون، فإن FDTR أقل تكلفة ويسمح بقياس خصائص متعددة مثل الركيزة κ وسعة الحرارة بالضغط الثابت (C)، والتوصيل الحراري لواجهة الفيلم والركيزة، في قياس واحد يمتد عبر نطاق ترددواسع 25. يتم تحويل خرائط طور الانعكاس الحراري ثنائية الأبعاد عند ترددات تعديل ليزر مضخات متعددة ذات أعلى حساسية لخصائص العينة الحرارية إلى صورة κ.

يمثل طور الانعكاس الحراري انزياح الطور بين تذبذبات درجة الحرارة الدورية على سطح طبقة المحول ومصدر الحرارة المعدل الناتج عن ليزر المضخة الممتص. في نهج FDTR القياسي، يتم تركيز ليزر المضخة والمجس على نفس النقطة على سطح العينة، ويتم قياس طور الانعكاس الحراري في تلك النقطة بواسطة مضخم قفل عند ترددات تعديل ليزر مضخة مختلفة. يتم تركيب نموذج توصيل حراري طبقي على البيانات المقاسة لتحديد خصائص العينة الحرارية (أي κ، C، وموصلية واجهة المحول والعينة)14. تسمح تغييرات النهج القياسي FDTR بتحسين حساسية طور الانعكاس الحراري المقاس تجاه κ غير المتجانس في العينة. تشمل هذه استخدام (1) ليزر المضخة والمجسات ذات الإزاحة المكانية26، (2) مصادر الحرارة المولدة بالليزر المضخة على شكل إهليلجي27 أوالخط 28، و(3) قياسات FDTR مع أحجام بقع ليزر مضخة متغيرة29. بعيدا عن التوصيف الحراري للخصائص الكبيرة، يمكن استخدام تقنية FDTR لتوصيف الخصائص الحرارية للواجهة30، 31، 32، 33، 34، 35، حيث أن عمق اختراق مصدر الحرارة الحراري، المعرف ب ب، figure-introduction-1 يعتمد على تردد تعديل الليزر في المضخة (f). تسبب الواجهة مقاومة حرارية بسبب انتقال وانعكاس حوامل الحرارة (أي الإلكترونات والفونونات)36. يتم وصف المقاومة في تجارب FDTR من حيث التوصيل الحراري للواجهة. تم الإبلاغ عن قياسات FDTR لموصلية الحرارة في واجهة الطبقات الأحادية المجمعةذاتيا 33، 35، وواجهات المعدن-الركيزة37، وطبقة الواجهةالرقيقة S39 في الأدبيات. أخيرا، أظهرت قياسات FDTR باستخدام أفلام محولات مغناطيسية رقيقة مؤخرا أنها تسمح بتوصيف κ غير المتجانس للمواد ثنائية الأبعاد40.

تقدم هذه المقالة وصفا مفصلا للإجراءات المتضمنة في قياس FDTR باستخدام ليزرات مضخة ومسبار مركزة محوريا على سطح المحول. يتم توفير قياسات تمثيلية للκ المحلي لركيزة السيليكون السائلة، ويتم قياس عدم اليقين في القياس. وأخيرا، نقدم مثالا بسيطا يوضح تصوير FDTR للκ المحلي بالقرب من واجهة رأسية واحدة بين اثنين (100) من ركيزة السيليكون أحادية البلورة مرتبطة بالروابط السطحية المنشطة (SAB).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. إعداد نظام FDTR

ملاحظة: يظهر مخطط تخطيطي للإعداد التجريبي في الشكل 1، والمكونات المتاحة تجاريا المرتبطة مدرجة في جدول المواد. تصف الخطوات التالية تركيب ليزرات المضخة والمجس، بالإضافة إلى نظام اكتساب الإشارة.

  1. ابدأ بتركيب ليزر كهربائي معدل شدة منخفض القدرة (1 ميلي واط) بطول موجي أساسي 1550 نانومتر. قم بتركيب EML على قاعدة ليزر فراشة مدمج مع وحدة تحكم تيار ودرجة حرارة الليزر (LDC). ضمان اتصال حراري جيد بين EML وقاعدة الفراشة باستخدام معجون موصل حراريا (مثل معجون الفضة)، بحيث يمكن لمبرد الحرارة الكهربائية (TEC) في EML الحفاظ على درجة حرارة ليزر بفعالية. اضبط تيار الليزر الثنائي المناسب في LDC للتحكم في طاقة خرج EML. شغل وحدة تحكم TEC في LDC وترك حتى 10 دقائق لتستقر درجة حرارة EML عند القيمة المناسبة قبل تشغيل تيار LDC الثنائي إلى EML.
    ملاحظة: هذا هو ليزر المضخة. يتم امتصاص طول موجة 1550 نانومتر بقوة بواسطة محول الذهب.
  2. لتعديل شدة ليزر، قم بتشغيل EML بإشارة تردد راديو جيبي متحيز للجهد (RF)، بترددات بين 100 كيلوهرتز و80 ميجاهرتز. قسم جهد الخرج من مولد إشارة التردد الراديوي وأرسل نصف الإشارة إلى منفذ المرجع لمضخم قفل الدخل. أرسل النصف الآخر من الإشارة إلى نقطة انحياز مع جهد انحياز منفصل، وقم بتوصيل منفذ خرج مفتاح الانحياز ب EML.
    ملاحظة: قد يكون استخدام نقطة الانحياز اختياريا حسب مواصفات ليزر؛ الهدف الأساسي من هذا الإعداد هو تعديل شدة إخراج EML.
  3. لتضخيم مخرج EML، يتم تغذية خرج الألياف الضوئية من EML إلى مضخم ألياف مدمج بالألياف بقوة 5 واط (EDFA). خرج EDFA هو ليزر المضخة لإعداد FDTR. التحكم في قوة الليزر في مضخة من EDFA لتحقيق الشدة المطلوبة على سطح العينة.
  4. قم بمحاذاة الضوء الخارج من ألياف EDFA باستخدام عدسة مناسبة. لمنع الانعكاسات العكسية من مختلف البصريات الحرة في إعداد FDTR إلى EDFA، توجه الضوء المنقول من الموازيم إلى عازل بصري فاراداي.
  5. وجه شعاع الخرج من العازل إلى سطح العينة عبر نظام تصوير بصري 4-f، يتكون من مرآة جيمبال الماسحة، وعدستين مرحل، وهدف مجهري. نظرا لأن طول موجة ليزر المضخة يقع في منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي، وبالتالي لا يكون الليزر مرئيا، استخدم بطاقة فلورية لمحاذاة ليزر المضخة عبر نظام التصوير 4-f وبشكل متزامن مع ليزر المجس على طول المحور البصري للميكروبنش.
    ملاحظة: يصور نظام التصوير 4-f مركز المرآة الماسحة إلى فتحة العدسة الخلفية للهدف. يسمح ذلك بمسح ليزر المضخة المركزة المنقول عبر هدف المجهر على سطح العينة، عن طريق تغيير زاوية دخول الضوء إلى فتحة الظهر للجسم دون تحويل شعاع الإدخال إلى فتحة المجهر.
  6. بعد ذلك، تركيب ليزر المسبار، وهو ليزر دايود موجة مستمرة مصنوع من إيتريوم نيوديميوم مطعم بالإيتريوم (Nd-YAG)، على قاعدة مبردة بشكل سلبي. أقصى قدرة وطول موجي للمسبار هما 50 ميلاواط و532 نانومتر على التوالي. مماثل للليزر المضخ، يوجه مخرج ليزر دايود المجس عبر عازل بصري فاراداي. أيضا، استخدم نظام العدسات لضبط حجم شعاع الليزر المتقاطع خارج العازل.
  7. وضع صفيحة نصف موجة في مسار شعاع ليزر المسبار، تليها مقسم شعاع مستقطب (PBS); يعمل هذا التكوين كمخفف متغير، يسمح للمستخدم بالتحكم في القدرة البصرية التي يتم توصيلها إلى العينة. وجه خرج المخفف المتغير عبر صفيحة ربع موجة قبل أن يصل الضوء إلى هدف المجهر. قم بتدوير المحور السريع لهذه الصفيحة ربع الموجة بمقدار 45 درجة بالنسبة لاتجاه استقطاب ليزر المجس، مما يدور استقطاب الضوء بمقدار 90 درجة في مرتين عبر البصرية.
    ملاحظة: هذا يضمن أن ضوء المجس المنعكس من سطح العينة يعاد توجيهه إلى كاشف ضوئي عالي السرعة وليس إلى ليزر.
  8. أوصل ليزر المجس إلى مركز هدف المجهر بشكل متزامن مع ليزر الضخة. قم بمحاذاة ليزري المضخة والمجسات على المحور البصري لإعداد الميكرو-بنش لضمان بقاء الشعاعين متماسكين أثناء مرورهما عبر الهدف.
    ملاحظة: المحاذاة الصحيحة أمر بالغ الأهمية لضمان بقاء ليزري المضخة والمجس على المحور البصري للميكروبنش ومتوازنيين بين مستويات البؤرة للليزر والمضخة والمجس.

figure-protocol-1
الشكل 1: مخطط إعداد التجارب في FDTR.يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

  1. لقراءة إشارة الانعكاس الحراري التي يرسلها ليزر المسبار إلى الكاشف الضوئي، يتم تغذية مخرج كاشف الضوء إلى مضخم قفل الداخل. تأكد من أن استجابة التردد لكاشف الضوئي ومضخم القفل يسمح بقياس الإشارات المعدلة عند تردد تعديل الليزر في مضخة.
  2. سجل قوة الليزر المضخية في موقع العينة. ضع مقياس طاقة تحت هدف المجهر واقرأ مستوى طاقة ليزر المضخة أثناء حجب ليزر المجس.
  3. لتصوير سطح العينة، وجه الضوء المنعكس من العينة عبر عدسة أنبوبية إلى كاميرا CCD، حيث تتكون صورة سطح العينة. ضع مرآة ثنائية اللون (باردة) قابلة للإزالة بين المجهر وعدسة الأنبوب لتوجيه الضوء المنعكس من سطح العينة إلى كاميرا CCD.
    ملاحظة: يجب إزالة المرآة الباردة عند إجراء القياسات - فهي تستخدم فقط عند مراقبة سطح العينة بكاميرا CCD. تتطلب الخطوات التالية فهم عملية تحليل الإشارة. طور الانعكاس الحراري المعدل، وهو شدة ليزر المسبار المعتمدة على سطح العينة، هو الإشارة الحرجة ذات الاهتمام في قياس FDTR. يقوم مضخم القفل بتسجيل سعة وطور إشارة الانعكاس الحراري. ومع ذلك، يتم خلط مصادر إشارة غير مرغوب فيها مع طور الانعكاس الحراري. تحديدا، تتضمن إشارة الطور (φالعينة) مزيجا من طور الانعكاس الحراري للعينة (φTR)، وانحراف الطور المرتبط بمسافة المسار البصري (OPD) التي يقطعها ليزر المجس من سطح العينة إلى كاشف الفوتوفو (φOPD)، ومساهمات ضوضاء الطور الإضافية الناتجة عن إلكترونيات الكشف (ضوضاء φ). للقضاء على مساهمات التعرض الخارجي والضوضاء في الطور المكتشف، يجب تنفيذ مسار شعاع ثانوي كمرجع، والذي عند اكتشافه، يحتوي علىضوضاء φ وضوضاء φ دون φTR. بهذه الطريقة، يمكن استخراج طور الانعكاس الحراري من إشارة المجس (العينة φ) عن طريق طرح الطور المرجعي: φTR =عينة φ - φمرجع. يتم توضيح هذا المفهوم في الشكل 2A، حيث يتم قياس كل منφ العينة ومرجع φ بالنسبة لإشارة التردد الراديوي التي يوفرها مولد إشارة التردد الراديوي لمضخم القفل الداخلي. مثال على خطوة طرح الطور هذه مع بيانات الطور الحقيقية مقدم في الشكل 2B. عند بناء مسار الشعاع المرجعي، يجب دمج ثلاث خطوات حاسمة: (1) مطابقة مسافة المسار البصري مع المسافة التي يقطعها ليزر المسبار من سطح العينة إلى كاشف الضوء، (2) اكتشاف الشعاع المرجعي باستخدام نفس كاشف العينة الضوئية، و(3) تعديل شدة الشعاع المرجعي باستخدام نفس إشارة الراديو الراديوية التي تعدل ليزر الضخة. نلاحظ أن كاشف الضوء لا يستجيب لطول موجة الليزر المضخ، وأن شعاع المضخة المنعكس لا يصل إلى كاشف الضوء المرئي. وبالتالي، فإن ضوء المضخة المنعكس من سطح العينة لا يؤثر على طور الانعكاس الحراري.

figure-protocol-2
الشكل 2: طور الانعكاس الحراري المحسوب بطرح طور الإشارة المرجعية من طور إشارة المسبار. يتم تصوير هذه التحولات الطورية بشكل مفهومي في (A)، ويظهر مثال على بيانات قياس النقاط الحقيقية في (B). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

  1. فصل جزء من شعاع المضخة لتوليد الشعاع المرجعي، وبالتالي تحقيق المتطلبات (3). يرجى الرجوع إلى الملاحظة أعلاه. قم بذلك عن طريق تركيب نصف لوحة موجية وPBS كمخفف متغير (باتباع نفس الإجراء الموضح في الخطوة 1.6) في مسار الشعاع، حيث يستخدم الضوء الذي يعكسه PBS كشعاع مرجعي.
  2. نظرا لأن ليزر المضخة (1550 نانومتر) لا يمكن اكتشافه بواسطة كاشف الضوء المرئي الذي يكتشف ليزر المسبار (532 نانومتر)، بعد ذلك يمرر الشعاع المرجعي عبر بلورة التوليد التوافقي الثاني (SHG) ذات القطب الدوري من الليثيوم نيوبات (PPLN) لإنتاج شعاع 775 نانومتر. هذا يفي بمتطلب (2).
  3. بناء المسار البصري من خرج بلورة PPLN (نقطة توليد الموجة 775 نانومتر) إلى الكاشف الضوئي بحيث يكون بنفس طول المسافة البصرية التي يقطعها ليزر المسبار بين سطح العينة والكاشف الضوئي. تركيب خط تأخير بصري في المسار البصري لشعاع المسبار للتحكم بدقة في ضغط الضغط الخارجي للليزر المنعكس (532 نانومتر) بالنسبة للليزر المرجعي (775 نانومتر). استخدم عينة معايرة، مثل فيلم رقيق ذهبي على ركيزة سيليكونية، بخصائص معروفة، وحرك خط التأخير ليتناسب مع طور الانعكاس الحراري المقاس عبر نطاق التردد الذي يهم حسابات النموذج الحراري.
  4. تأكد من ضبط درجة حرارة بلورة PPLN لتحسين خرج الطاقة المولدة عن طريق تعديل الإعداد على وحدة تحكم PID للبلورة حتى يتم تعظيم سعة إشارة كاشف الضوء.

2. تحضير العينة

ملاحظة: لإجراء تجربة FDTR ناجحة، يجب تلميع سطح العينة حتى يشبه المرايا لتقليل الانعكاسات المنتشرة وأي تغيرات في الارتفاع قد تسبب فقدان تركيز الليزر أو تغير في مرآتية شعاع المسبار المنعكس، أثناء المسح عبر السطح. بعد هذه النقطة، يجب ترسيب طبقة المحول المعدني وتوصيفها.

  1. قم بتلميع العينة باستخدام تعليق بأحجام جسيمات أصغر تدريجيا حتى يتم الحصول على تشطيب يشبه المرآة. على سبيل المثال، استخدم سلسلة من المعلقات الماسية بأحجام جسيمات تتراوح من 5 ميكرومتر إلى 250 نانومتر. ينهي بتعليق من السيليكا الغروية، ثم يلمع حتى يحصل على تشطيب يشبه المرآة.
    ملاحظة: مدة كل خطوة تلميع وحجم الجسيمات تعتمد على العينة.
  2. كخطوة تنظيف نهائية، قم بطحن السطح بالأيونات لمدة 10 دقائق.
  3. قياس خشونة الجذر المتوسط التربيعي للسطح باستخدام المجهر بالقوة الذرية (AFM)؛ يجب أن تكون خشونة RMS أقل من 20 نانومتر.
  4. بعد التلميع، تضع طبقة محول معدني على سطح العينة. بالنسبة لليزر مسبار 532 نانومتر، استخدم طبقة محول من الذهب الرقيق بسبب معامل الانعكاس الحراري الكبير19. للحصول على أسطح محولات ناعمة، استخدم مبخر شعاع إلكتروني (شعاع إلكتروني) لتغطية طبقة ذهبية موحدة على العينة بسماكة أكبر من 40 نانومتر. لقياس سمك المحولات باستخدام المجهر الذري (AFM)، قم بلصق شريحة من الزجاج الرقيق على سطح العينة لتكون قناع ظل قبل وضع العينة في مبخر الشعاع الإلكتروني. ثم أكمل ترسيب الذهب.
    ملاحظة: يجب أن يكون المحول أكثر سمكا من عمق الجلد البصري الموجود في الذهب (≈20 نانومتر لضوء 532 نانومتر)، ولكن من المثالي أن يكون أكثر سمكا من ضعف عمق الجلد البصري لإعطاء إشارة منعكسة قوية بما فيه الكفاية.
  5. قس سمك طبقة الذهب باستخدام طريقة الموجات فوق الصوتية بيكو ثانية41 (الشكل 3A)، أو AFM، أو أي تقنية أخرى ذات دقة كافية. إذا كنت تستخدم AFM، فقم بمسح مسبار AFM فوق الحافة الذهبية الحادة الناتجة عن قناع الظل؛ هذا الارتفاع هو سمك الذهب.
  6. إذا لم تكن التوصيلية الحرارية للذهب معروفة، قم بإجراء قياس فان دير باو42 على فيلم ذهبي تم ترسيبه على ركيزة عازلة مثل الزجاج. بدلا من ذلك، إجراء قياس FDTR لطبقة الذهب الترسبة على ركيزة قياسية ذات موصلية حرارية معروفة.
    ملاحظة: من المعروف أن التوصيل الحراري للذهب يتغير قليلا كدالة لسمك الفيلم43.

3. إعداد القياس

  1. قم بتشغيل مفتاح الطاقة في ليزر 532 نانومتر على وضع التشغيل لتفعيل مزود الطاقة. انتظر حتى يشتغل ضوء التفعيل، وعندها تستقر درجة حرارة بلورة الليزر، ثم قم بتشغيل مفتاح الليزر لبدء انبعاث ليزر 532 نانومتر. قدرة ليزر المدخل 20-30 مللي واط كافية لاكتشاف إشارة الانعكاس الحراري. استخدم عداد الطاقة للتأكد من أن قوة الليزر تقع ضمن هذا النطاق قبل المتابعة.
  2. شغل وحدة تحكم الليزر في الضخة، ويمكنك التبريد الحراري الكهربائي عن طريق ضبط قيمة المقاومة المناسبة وفقا لمواصفات ليزر (مثلا 10 كيلو أوم). بمجرد استقرار درجة الحرارة، شغل تيار الليزر.
  3. شغل EDFA واضبط القدرة الخارجة على القيمة المطلوبة (مثل 1 واط).
    ملاحظة: يجب اختيار هذه القيمة بناء على الانتشار الحراري ونقطة انصهار مادة العينة. ضع في اعتبارك أن الطاقة التي يتم توصيلها إلى العينة أقل من القدرة المحددة في مضخم الألياف (انظر الخطوة 1.10 لقياس القدرة في موقع العينة). يمكن تقدير كمية الطاقة الممتصة بناء على طول موجة المضخة وامتصاص المحول.
  4. اضبط تردد التردد الراديوي، وسعة التردد الراديوي، وجهد الانحياز عند مولد الإشارة لتعديل شدة الليزر في الضخة.
  5. شغل مضخم الصوت القفل وكاشف الضوء. تأكد من أن منفذ المرجع متصل بمخرج مولد إشارة التردد الراديوي ومنفذ إدخال الإشارة متصل بالكاشف الضوئي.
  6. شغل وحدة تحكم درجة الحرارة لبلورة PPLN وفعل التحكم في PID.
  7. ثبت العينة على مرحلة دقيقة متعددة المحاور تحتوي على مقبض ميكرومتر لضبط ارتفاع المرحلة (موضع Z). ثبت العينة على المسرح باستخدام شريط رفيع مزدوج الوجه لمنع العينة من الانزلاق أثناء القياس.
  8. ركز الليزر على سطح العينة. ابدأ بتركيب المرآة الباردة فوق الهدف ومراقبة سطح العينة من خلال كاميرا CCD (انظر الخطوة 1.10). اضبط مقبض Z على المسرح حتى يصبح سطح العينة واضحا في بث الكاميرا المباشر. استمر في التركيز حتى تصل بقعة الليزر إلى أدنى حجم لها. بعد الانتهاء، أزل المرآة الباردة.
    ملاحظة: الغرض من هذه الخطوة هو وضع سطح العينة عند مستوى البؤرة المطلوب. على سبيل المثال، يتم إيجاد مستوى البؤرة المجسي عن طريق تركيز ليزر المجس على أصغر حجم بقعة على سطح العينة.
  9. بعد ذلك، تأكد من تركيز الليزر بين المضخة والمجس على نفس النقطة في العينة. باستخدام أداة LabVIEW الافتراضية المطلوبة (VI)، قم بضبط زوايا ميل مرآة التوجيه في جيمبال (انظر الخطوة 1.5) حتى يتم محاذاة ليزر المضخة على المحور البصري لليزر المجس. ابحث عن أقصى سعة للانعكاس الحراري لمعرفة متى تكون الليزرات متزامنة على سطح العينة.

4. قياس حجم النقطة

ملاحظة: من المعروف أن قياسات الانعكاس الحراري للخصائص الحرارية تظهر حساسية شديدة لحجم البقعة المقاس17. فيما يلي إجراء لقياس حجم النقطة إما للمضخة أو ليزر المجس. يتم توفير خطوات عامة تنطبق على كلا الليزرين في المراحل 4.1 - 4.6، ثم يتم توفير اعتبارات خاصة للليزر المضخة والمجس الفردي في الخطوات 4.7 - 4.10.

  1. احصل على عينة "حافة السكين"، تتكون من أنماط ذهبية موضوعة على كأس.
    ملاحظة: يمكن شراء عينات قياسية أو تصنيعها عبر الطباعة الحجرية بالأشعة الضوئية أو الإلكترونية لضمان واجهة حادة بما فيه الكفاية.
  2. قم بتركيب العينة على مرحلة الترجمة متعددة المحاور (انظر الخطوة 3.7).
  3. ضع العينة بحيث تكون بقعة الليزر قريبة من الحافة الذهبية المطلوبة، مع محاذاة الحافة بشكل عمودي على اتجاه المسح المطلوب (إما x أو y). حرك العينة يدويا أو باستخدام مرحلة ترجمة كبيرة جدا، ثم ضبط الموقع بدقة باستخدام المقابض على المسرح. لا تستخدم هذه المقابض لضبط المساحات الكبيرة، لأنه من المهم أن تكون محاور مرحلة التحويل في المنتصف أثناء القياس المسح.
    ملاحظة: إذا كان وضع المرحلة غير مركزي أثناء القياس، يمكن أن ينشأ اقتران بين عدة محاور يميل موضع العينة وقد يحركها خارج المستوى البؤري.
  4. أكمل إجراءات تهيئة نظام FDTR، والتركيز، ومحاذاة الليزر، كما هو موضح في قسم إعداد القياس من البروتوكول (الخطوات 3.1 إلى 3.10).
  5. قم بتشغيل وحدة تحكم مرحلة الترجمة، وصفر كل مشغل تحكم حركي، وأدخل رقم تعريف وحدة التحكم في LabVIEW VI.
  6. في الرقم VI، أدخل طول المسح المطلوب في اتجاه المسح الأساسي (المشار إليه ب "A") وعدد مسحات الخط المطلوبة في اتجاه "B". أدخل حجم الخطوة في كل اتجاه.
    ملاحظة: قد يمتد مسح الخط النموذجي لمسافة 20-100 ميكرومتر مع حجم خطوة 0.2-1 ميكرومتر، حسب حجم نقطة الليزر.
  7. قم بمسح واجهة حافة السكين وسجل إشارة شدة الضوء المنعكس. معالجة البيانات باستخدام رمز "SpotSizeFit.py" لحساب نصف قطر نقطة الليزر. يتم توفير الكود في المواد الداعمة.
    ملاحظة: يمكن اكتشاف الضوء المنعكس أو المنقول، أيهما يكون أكثر ملاءمة لإعداد معين.
  8. كرر الخطوات 4.3-4.7، ومسح الخطوط عبر حافة ذهبية حادة في الاتجاه العمودي على المسح السابق. احسب متوسط نصف قطر النقطة والانحراف المعياري بين اتجاهات المسح العمودي.
    ملاحظة: يجب أن يكون لنقطة الليزر انحراف مركزية قريبة من 1. أيضا، بالنظر إلى الأطوال الموجية لكل ليزر ونظام التعديل الموضح في الخطوات من 1.1 إلى 1.15، هناك اعتبارات إضافية خاصة بقياسات كل ليزر: (1) ليزر المضخة (1550 نانومتر) يحتاج إلى كاشف تحت الحمراء (IR)، لأنه لا يمكن اكتشافه باستخدام كاشف الضوء المرئي. (2) مولد إشارة التردد الراديوي لا يقوم بتعديل ليزر المجس مباشرة، وبالتالي يتطلب تعديلا منفصلا يمكن تحقيقه عن طريق القطع الميكانيكي. ومع ذلك، هذا يدخل اعتبارا ثالثا: (3) لا تعمل المقاطعات الميكانيكية عند الترددات الراديوية، وبالتالي لا يمكن التقاط إشارة المجس المقطع بواسطة نفس مضخم القفل الذي يحمل الإشارات المعدل بترددات RF. (على سبيل المثال، مضخم SR844 القفل له قطع تردد منخفض عند 20 كيلوهرتز.) يتم معالجة هذه الاعتبارات الثلاثة في الخطوات التالية.
  9. قم بتركيب كاشف ضوئي بالأشعة تحت الحمراء وتوجيه جزء من شعاع المضخة المنعكس من العينة إلى هذا الكاشف. على سبيل المثال، سيخرج بعض الشعاع المنعكس من PBS المثبت في الخطوة 1.9، ويمكن توجيه هذا الشعاع إلى كاشف الأشعة تحت الحمراء.
  10. قم بتركيب مقطع ميكانيكي في مسار شعاع المجس، مركب على رغوة تخميد للاهتزاز.
  11. قبل بدء قياس حجم نقطة المضخة، قم أولا بتوصيل إشارة التردد الراديوي بمنفذ مرجعي لمضخم SR844 القفل الداخلي، وكاشف الأشعة تحت الحمراء بمنفذ إدخال مضخم SR844 القفل الداخلي.
  12. قبل بدء قياس حجم نقطة المجس، قم أولا بتوصيل مخرج وحدة التحكم الميكانيكية إلى منفذ مرجعي لمضخم SR830 القفل الداخلي، وكاشف الضوء المرئي إلى منفذ إدخال مضخم SR830 القفل الداخلي.
  13. شغل كل قياس لحجم النقطة (مضخة أو مسبار) باستخدام "قراءة" VI المطلوب لمضخم القفل المعطى.

5. قياسات النقاط

ملاحظة: تستخدم قياسات النقاط لقياس الخصائص الحرارية المحلية عند نقطة واحدة على سطح العينة. عادة ما يتم قياس التوصيل الحراري لمادة الركيزة والموصلية الحرارية الواجهة بين محول الذهب والركيزة. تعتبر هذه الخصائص قياسا متوسطا على مساحة تمتد عبر حجم البقعة الفعال لليزرات المضخة والمجس13,17.

  1. قم بتركيب العينة على مرحلة الترجمة متعددة المحاور (انظر الخطوة 3.7).
  2. اعرض العينة من خلال كاميرا CCD وضبط موقعها لضمان انعكاس ليزر المجس في نقطة واضحة خالية من الأوساخ والشوائب الأخرى.
  3. اختر مستوى قوة المضخة وأكمل إجراءات التركيز والمحاذاة المفصلة في الخطوات 3.1 إلى 3.10.
  4. حدد نطاق التردد لقياس النقطة. تأكد من أن نموذج الانتشار الحراري حساس ومناسب للخصائص المقاسة في هذا النطاق الترددي.
  5. اختر مستوى الحساسية المناسب على مضخم القفل لنطاق تردد القياس. برمج قياس النقطة LabVIEW VI مع مستوى حساسية القفل، ونطاق التردد، وإجمالي عدد الترددات التي سيتم قياسها. إذا لزم الأمر، قم ببرمجة عدة مراحل بمستويات حساسية مختلفة لتعظيم نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR).
  6. شغل قياس النقاط واحفظ البيانات في ملف .txt. سجل بيانات الطور من مضخم القفل ثلاث مرات، ل (1) إشارة ليزر المسبار، (2) إشارة الليزر المرجعية، و(3) الضوضاء. دائما قم بحجب الشعاع الذي لا يتم قياسه، وامنع كل من الأشعة المجسحة والمرجعية لتسجيل بيانات الضوضاء.
  7. لمراعاة ضوضاء الأجهزة أو البيئة في المتوسط، كرر الخطوات 5.2-5.5 ومتوسط النتائج الملاءمة.

6. قياسات الصور

ملاحظة: صور الخصائص الحرارية هي خرائط ثنائية الأبعاد للخصائص الحرارية المقاسة على مساحة معينة، يتم إنشاؤها عن طريق مسح الليزر فوق سطح العينة وجمع مجموعة من القياسات النقطية.

  1. ابدأ بتركيب العينة على مرحلة الترجمة متعددة المحاور (انظر الخطوة 3.7) ووضع نقطة الليزر فوق منطقة القياس من خلال مراقبة كاميرا CCD. تأكد من أن المنطقة خالية من الأوساخ أو الخشونة غير منتظمة.
    ملاحظة: تجنب تحريك محاور النقل في مرحلة محرك الخطوات إلى أقصى حدودها لتجنب الاقتران مع محور Z. انظر الخطوة 4.3.
  2. برمج منطقة القياس في صورة قياس LabVIEW VI. قم بإجراء مسح سريع على منطقة القياس (مثلا، ثلاث خطوات في كلا الاتجاهين x و y) أثناء مراقبة بث كاميرا CCD المباشر، وسجل منطقة القياس الدقيقة.
  3. اختر مستوى طاقة المضخة وأكمل إجراء التركيز والمحاذاة الموضح في الخطوات 3.7-3.10 في البروتوكول 3.
  4. اختر على الأقل خمسة ترددات لمسح العينة. تأكد من أن النموذج الحراري حساس للخصائص المقاسة في هذا النطاق الترددي.
  5. حجب ليزر المجس وسجل قراءات الطور (أي X) والرباعي (أي Y) من شاشة مضخم القفل للليزر المرجعي. ثم يمنع كل من المجس والليزر المرجعي لتسجيل قراءات الضوضاء X و Y . عند الانتهاء، قم بفك الحظر من ليزر المسبار.
  6. اختر عدد الخطوات (أي عدد قياسات النقاط) في كل اتجاه مسح (x و y) في LabVIEW VI. شغل قياس الخريطة.
  7. كرر الخطوة 6.5 عندما ينتهي القياس. احسب متوسط X و Y من قبل وبعد القياس، لكل من الإشارة المرجعية وإشارة الضوضاء.
    ملاحظة: يمكن جمع قياسات المرجع والضوضاء في كل موقع قياس في المسح، لكن هذا سيزيد بشكل كبير من الوقت المطلوب لكل قياس صورة. من خلال متوسط هذه الكميات من قياسين (واحد قبل والآخر بعد المسح المكاني)، يتم تقليل زمن القياس الكلي بشكل كبير. باتباع الخطوات الإجرائية الموضحة في قسم البروتوكول، يمكن للمستخدمين بناء نظام FDTR، وتحضير عينات للتوصيف الحراري، وإجراء قياسات نقطية وصورة لκ المحلي. في القسم التالي، نعرض قياسات κ المحلية على ركيزة سيليكون أحادية البلورة تستخدم هذه البروتوكولات ونعلق على مصادر عدم اليقين والقيود في تنفيذ FDTR.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

قياسات النقاط

هدف القياس النقطي المعروض هنا هو تحديد التوصيل الحراري (κ) في درجة حرارة الغرفة ل (100) سيليكون أحادي البلورة بناء على طور الانعكاس الحراري المقاس لفيلم محول الذهب على العينة. يتم تركيب نموذج توصيل حراري ذو طبقتين على بيانات الطور المقاسة لتحديد أفضل ركيزة κ وموصلية حرارية بين المحول والسيليكون (G). سمك المحول المقاس، التوصيل الحراري، حجم بقع الليزر في المضخة والمجس، وغيرها من المعلمات ذات الصلة هي مدخلات للنموذج.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

تستخدم تقنية FDTR المعروضة هنا لتوصيف الركيزة المحلية κ لركيزة سيليكون بلورة واحدة ولرسم خريطة توزيع κ حول واجهة بين ركائز سيليكون متوردة بالبلازما. أحد الجوانب الحرجة في القياس هو استخدام ملاءمة النمذجة لتحديد الخصائص الحرارية المجهولة للركيزة وواجهة المحول-الركيزة. تعتمد دقة القياس على الاختيار الصحيح لحجم البقعة وترددات التعديل في ليزر الضخة، ومعرفة مسبقة بمدخلات النموذج الحرجة مثل سمك المحول وκ، وأحجام بقع الليزر في المضخة والمجو. بالنسبة لأحجام بقع ليزر المضخة الصغيرة (أي بحجم ميكرو...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

المؤلفون لا يكشفون عن أي تضارب مصالح.

شكر وتقدير

وقد دعم بعض المؤلفين تمويلا جزئيا من مركز جامعة نورث وسترن للاستدامة الهندسية والمرونة من خلال مشروع ممول من البذور بعنوان "نحو هندسة المواد الفوقية لحلول الطاقة المستدامة: الخصائص الحرارية المحلية لحدود الحبوب في المواد متعددة البلورات".

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
مرحلة نانو ماكس ثلاثية المحاور، محركات المحرك المتخطئثورلابزMAX383مرحلة الترجمة النموذجية
ليزر الموجة المستمرة 532 نانومترفيزياء الطيفSPFL 532-20ليزر المجس
المزدوجة اللونية، f=150 مم، 2"ثورلابزAC508-150-C-MLعدسات الترحيل في نظام التصوير البصري 4-f المستخدمة لتصوير مركز ماسح جيمبال إلى الفتحة الخلفية لهدف المجهر
مكعب سبليتر شعاعيثورلابزBS019البصريات
عداد الطاقة/الطاقة عالي السرعةميلي غريو13PEM001لقياس قوى الليزر
وحدة التحكم ذات الحلقة المغلقة بمحرك البيكوالتركيز الجديد8743-CLلمسح شعاع المضخة على سطح العينة
كاميرا CMOS الملونةثورلابزCS165CU1لتصوير سطح العينة
مصدر الطاقة المحدود بالتيارالتركيز الجديد901لتشغيل كاشف الضوء عالي السرعة
مضخم الأليافآيبي جي فوتونيكسLDR-3Uليزر المضخة
عازل الفضاء الحر، 1550 نانومترثورلابزIO-5-1550-HPلمنع الانعكاسات العكسية للليزر في مضخم الألياف
عازل الفضاء الحر، 532 نانومترثورلابزIO-3-532-LPلمنع الانعكاسات العكسية للليزر المجسي إلى ليزر الصمام الثنائي
مولد الدالة / الموجة العشوائيةأجيلينت33220Aلتعديل شدة الليزر في المضخة
حامل البصريات الجيمبالنيوبورت605-2لمسح شعاع المضخة على سطح العينة
المرايا الذهبية، 1"ثورلابزPF10-03-M01مرايا عالية الانعكاس لليزر المضخة
نصف موجة (1550)ثورلابزWPH05M-1550بصريات الاستقطاب
نصف موجة (532 نانومتر)ثورلابزبصريات الاستقطاب
جهاز استقبال ضوئي منخفض الضوضاء IR 1 جيجاهرتزالتركيز الجديد1611لمراقبة شدة ليزر المضخة المعدلة
وحدة تحكم الليزرILX Lightwave LDC-3742Bللتحكم في شدة مضخة البذور باستخدام ليزر
مضخم قفل القفلأنظمة ستانفورد للأبحاث
SR844للقياسات عالية التردد
مضخم قفل القفلأنظمة ستانفورد للأبحاث
SR830للقياسات منخفضة التردد
وحدة تحكم ميكانيكيةأنظمة أبحاث ستانفوردSR540لتعديل شدة شعاع المجس
بلورة MgO:PPLNالخليجبلورة التوليد التوافقي الثاني لتردد مضاعفة ليزر المضخة بسرعة 1550 نانومتر إلى مصدر الضوء المرجعي 775 نانومتر
مكعب مقسم الأشعة المستقطبثورلابزPBS254بصريات الاستقطاب
مولد إشارة التردد اللاسلكيأجيلينتN9310Aلتعديل شدة الليزر في المضخة
وحدة تحكم محرك الخطواتثورلابزBSC200وحدة تحكم لمرحلة ترجمة العينة
متحكم في درجة الحرارةالخليجOC1للتحكم في درجة حرارة بلورات MgO:PPLN
مستقبل صور مرئي بتردد 1 جيجاهرتز منخفض الضوضاءالتركيز الجديد1601لمراقبة إشارة الانعكاس الحراري

المراجع

  1. Rahman, J. U., et al. Grain boundary engineering enhances the thermoelectric properties of YTe. Adv Energy Mater. 15, 2404243(2025).
  2. Villoro, R. B., et al. Grain boundary phases in NbFeSb half-Heusler alloys: a new avenue to tune transport properties of thermoelectric materials. Adv Energy Mater. 13, 2204321(2023).
  3. Meng, X. F., et al. Grain boundary engineering for achieving high thermoelectric performance in n-type skutterudites. Adv Energy Mater. 7, 1602582(2017).
  4. Villoro, R. B., et al. Fe segregation as a tool to enhance electrical conductivity of grain boundaries in Ti(Co,Fe)Sb half-Heusler thermoelectrics. Acta Mater. 249, 118816(2023).
  5. Biswas, K., et al. High-performance bulk thermoelectrics with all-scale hierarchical architectures. Nature. 489, 414-418 (2012).
  6. Isotta, E., et al. Microscale imaging of thermal conductivity suppression at grain boundaries. Adv Mater. 35, 2302777(2023).
  7. Isotta, E., et al. Heat transport at silicon grain boundaries. Adv Funct Mater. 34, 2405413(2024).
  8. Yeandel, S. R., Molinari, M., Parker, S. C. The impact of tilt grain boundaries on the thermal transport in perovskite SrTiO-layered nanostructures: a computational study. Nanoscale. 10, 15010-15022 (2018).
  9. Alikin, D., et al. Nanoscale imaging and measurements of grain boundary thermal resistance in ceramics with scanning thermal wave microscopy. ACS Appl Mater Inter. 16, 42917-42930 (2024).
  10. Sood, A., et al. Direct visualization of thermal conductivity suppression due to enhanced phonon scattering near individual grain boundaries. Nano Lett. 18, 3466-3472 (2018).
  11. Cahill, D. G., Goodson, K. E., Majumdar, A. Thermometry and thermal transport in micro/nanoscale solid-state devices and structures. J Heat Trans ASME. 124, 223-241 (2002).
  12. Olson, D. H., Braun, J. L., Hopkins, P. E. Spatially resolved thermoreflectance techniques for thermal conductivity measurements from the nanoscale to the mesoscale. J Appl Phys. 126, 150901(2019).
  13. Jiang, P. Q., Qian, X., Yang, R. Tutorial: time-domain thermoreflectance (TDTR) for thermal property characterization of bulk and thin-film materials. J Appl Phys. 124, 161103(2018).
  14. Sandell, S., et al. Thermoreflectance techniques and Raman thermometry for thermal property characterization of nanostructures. J Appl Phys. 128, 131101(2020).
  15. Chen, T., Jiang, P. Q. Decoupling thermal properties in multilayered systems for advanced thermoreflectance experiments. Phys Rev Appl. 23, 044004(2025).
  16. Giri, A., et al. Ultrafast and nanoscale energy transduction mechanisms and coupled thermal transport across interfaces. ACS Nano. 17, 14253-14282 (2023).
  17. Schmidt, A. J., Cheaito, R., Chiesa, M. A frequency-domain thermoreflectance method for the characterization of thermal properties. Rev Sci Instrum. 80, 094901(2009).
  18. Saurav, S., Mazumder, S. On the determination of thermal conductivity from frequency-domain thermoreflectance experiments. J Heat Trans ASME. 144, 013501(2022).
  19. Wilson, R. B., et al. Thermoreflectance of metal transducers for optical pump-probe studies of thermal properties. Opt Express. 20, 28829-28838 (2012).
  20. Dong, H. C., Wen, B., Melnik, R. Relative importance of grain boundaries and size effects in thermal conductivity of nanocrystalline materials. Sci Rep UK. 4, 7037(2014).
  21. Nan, C. W., Birringer, R. Determining the Kapitza resistance and the thermal conductivity of polycrystals: a simple model. Phys Rev B. 57, 8264-8268 (1998).
  22. Schelling, P. K., Phillpot, S. R., Keblinski, P. Kapitza conductance and phonon scattering at grain boundaries by simulation. J Appl Phys. 95, 6082-6091 (2004).
  23. Smith, D. S., et al. Grain boundary thermal resistance and finite grain size effects for heat conduction through porous polycrystalline alumina. Int J Heat Mass Tran. 121, 1273-1280 (2018).
  24. Xu, D., et al. Thermal boundary resistance correlated with strain energy in individual Si film-wafer twist boundaries. Mater Today Phys. 6, 53-59 (2018).
  25. Ziade, E. Wide-bandwidth frequency-domain thermoreflectance: volumetric heat capacity, anisotropic thermal conductivity, and thickness measurements. Rev Sci Instrum. 91, 124901(2020).
  26. Rodin, D., Yee, S. K. Simultaneous measurement of in-plane and through-plane thermal conductivity using beam-offset frequency-domain thermoreflectance. Rev Sci Instrum. 88, 014902(2017).
  27. Li, M., Kang, J. S., Hu, Y. J. Anisotropic thermal conductivity measurement using a new asymmetric-beam time-domain thermoreflectance (AB-TDTR) method. Rev Sci Instrum. 89, 084901(2018).
  28. Perez, L. A., et al. Anisotropic thermoreflectance thermometry: a contactless frequency-domain thermoreflectance approach to study anisotropic thermal transport. Rev Sci Instrum. 93, 034902(2022).
  29. Jiang, P. Q., Qian, X., Yang, R. G. Time-domain thermoreflectance (TDTR) measurements of anisotropic thermal conductivity using a variable spot-size approach. Rev Sci Instrum. 88, 074901(2017).
  30. Liu, J., et al. Ultralow thermal conductivity of atomic/molecular layer-deposited hybrid organic-inorganic zincone thin films. Nano Lett. 13, 5594-5599 (2013).
  31. Ota, A., et al. Enhancing thermal boundary conductance of graphite-metal interface by triazine-based molecular bonding. ACS Appl Mater Inter. 11, 37295-37301 (2019).
  32. Giri, A., et al. Heat-transport mechanisms in molecular building blocks of inorganic/organic hybrid superlattices. Phys Rev B. 93, 115310(2016).
  33. Losego, M. D., et al. Effects of chemical bonding on heat transport across interfaces. Nat Mater. 11, 502-506 (2012).
  34. Majumdar, S., et al. Vibrational mismatch of metal leads controls thermal conductance of self-assembled monolayer junctions. Nano Lett. 15, 2985-2991 (2015).
  35. Lu, B., et al. Cross-plane thermal conductance of phosphonate-based self-assembled monolayers and self-assembled nanodielectrics. ACS Appl Mater Inter. 12, 34901-34909 (2020).
  36. Chen, J., et al. Interfacial thermal resistance: past, present, and future. Rev Mod Phys. 94, 025002(2022).
  37. Yuan, C., et al. A review of thermoreflectance techniques for characterizing wide bandgap semiconductors' thermal properties and devices' temperatures. J Appl Phys. 132, 220701(2022).
  38. Monachon, C., et al. Thermal boundary conductance: a materials science perspective. Annu Rev Mater Res. 46, 433-463 (2016).
  39. Scott, E. A., et al. Thermal conductivity and thermal boundary resistance of atomic layer deposited high-dielectric aluminum oxide, hafnium oxide, and titanium oxide thin films on silicon. APL Mater. 6, 058302(2018).
  40. Rahman, M., et al. Simultaneous measurement of anisotropic thermal conductivity and thermal boundary conductance of two-dimensional materials. J Appl Phys. 126, 205103(2019).
  41. Maris, H. Picosecond ultrasonics. Sci Am. 278, 86-89 (1998).
  42. Hemenger, P. M. Measurement of high-resistivity semiconductors using Vanderpauw method. Rev Sci Instrum. 44, 698-700 (1973).
  43. Schmidt, A. J., et al. Characterization of thin metal films via frequency-domain thermoreflectance. J Appl Phys. 107, 024908(2010).
  44. Schmidt, A. J., et al. A frequency-domain thermoreflectance method for the characterization of thermal properties. Rev Sci Instrum. 80, 094901(2009).
  45. Tang, L., Dames, C. Anisotropic thermal conductivity tensor measurements using beam-offset frequency-domain thermoreflectance (BO-FDTR) for materials lacking in-plane symmetry. Int J Heat Mass Tran. 164, 120600(2021).
  46. Stevens, R. J., Smith, A. N., Norris, P. M. Measurement of thermal boundary conductance of a series of metal-dielectric interfaces by the transient thermoreflectance technique. J Heat Trans ASME. 127, 315-322 (2005).
  47. Yang, J., Ziade, E., Schmidt, A. J. Uncertainty analysis of thermoreflectance measurements. Rev Sci Instrum. 87, 014901(2016).
  48. Wilson, R. B., Cahill, D. G. Anisotropic failure of Fourier theory in time-domain thermoreflectance experiments. Nat Commun. 5, 5075(2014).
  49. Isotta, E., et al. A thermal boundary resistance model via mean free path suppression functions and a Gibbs excess approach. Int J Heat Mass Tran. 252, 127417(2025).
  50. Sakata, M., et al. Thermal conductance of silicon interfaces directly bonded by room-temperature surface activation. Appl Phys Lett. 23, 106(2015).
  51. Xiang, Z. Y., Jiang, P. Q., Yang, R. G. Time-domain thermoreflectance (TDTR) data analysis using phonon hydrodynamic model. J Appl Phys. 132, 205104(2022).
  52. Beardo, A., et al. Phonon hydrodynamics in frequency-domain thermoreflectance experiments. Phys Rev B. 101, 075303(2020).
  53. Goodson, K. E., Asheghi, M. Near-field optical thermometry. Microscale Therm Eng. 1, 225-235 (1997).
  54. Qian, X., et al. Accurate measurement of in-plane thermal conductivity of layered materials without metal film transducer using frequency-domain thermoreflectance. Rev Sci Instrum. 91, 064903(2020).
  55. Feser, J. P., Liu, J., Cahill, D. G. Pump-probe measurements of the thermal conductivity tensor for materials lacking in-plane symmetry. Rev Sci Instrum. 85, 104903(2014).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

تقنية الانعكاس الحراري في مجال التردد لقياسات الخصائص الحرارية
اتصل بنا
أوصِ بها للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

2026 © حقوق الطبع والنشر MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.