Die Frequenzdomänen-Thermoreflexionstechnik für thermische Eigenschaftsmessungen

Wir untersuchen, wie mikroskopische Defekte in Materialien, wie Korngrenzen, eine thermische Konnektivität des Materials mit räumlicher Auflösung im Mikrometerbereich beeinflussen. Die Annahme der Kontinuumsskala, dass thermische Eigenschaften größenunabhängig sind, zerfällt als kleine Längenskalen. Um zu beginnen, stellen Sie den Stromschalter des 532-Nanometer-Diodenlasers auf Ein-Position, um die Stromversorgung zu aktivieren.

Warte, bis die Einschaltleuchte angeht, was anzeigt, dass die Temperatur des Laserkristalls stabil ist. Dann wird der Laserschalter betätigt, um die Emission des 532-Nanometer-Lasers zu starten, und mit einem Leistungsmesser überprüft, dass die Leistung des Eingangssondenlasers zwischen 20 und 30 Milliwatt liegt, bevor weitergeht. Als Nächstes schalten Sie den Pumpen-Laserdiodencontroller ein.

Thermoelektrische Kühlung ermöglichen, indem der korrekte Widerstandswert gemäß den Spezifikationen des Diodenlasers eingestellt wird. Nachdem sich die Temperatur stabilisiert hat, schalten Sie den Laserstrom ein, schalten Sie dann den Erbium-Dopeden Faserverstärker (EDFA) ein und stellen Sie die Ausgangsleistung auf den gewünschten Wert in Watt ein. Drück den Emissionsknopf.

Stellen Sie die Hochfrequenz- oder RF-, HF-Amplitude und Vorspannung am Signalgenerator ein, um die Intensität des Pumpenlasers zu modulieren. Jetzt schalten Sie den Lock-in-Verstärker und den Fotodetektor ein. Stellen Sie sicher, dass der Referenzanschluss mit dem HF-Signalgeneratorausgang verbunden ist und der Eingangsanschluss mit dem Fotodetektor.

Schalten Sie den Temperaturregler für den periodisch polierten Lithiumniobat-Kristall ein und aktivieren Sie die Proportionalintegralableitung (PID-Steuerung). Montage der Probe auf der mehrachsigen Präzisionsstufe, die mit einem Mikrometerknopf zur Z-Positionseinstellung ausgestattet ist. Verwenden Sie dünnes, doppelseitiges Band, um die Probe zu sichern und zu verhindern, dass sie während der Messung rutscht.

Anschließend wird der kalte Spiegel über dem Objektiv montiert, um die Laser auf die Probenoberfläche zu fokussieren. Beobachte die Probenoberfläche durch die CCD-Kamera und stelle den Z-Regler auf der Bühne ein, bis die Oberfläche im Live-Kamera-Feed scharf wird. Feinjustiere weiter, bis der Laserpunkt seine Mindestgröße erreicht hat.

Sobald der Fokus ist, entferne den kalten Spiegel. Nun passen Sie mit dem virtuellen Labor-View-Instrument die Neigungswinkel des Gimbal-Lenkspiegels an, um den Pumpenlaser entlang der optischen Achse des Sondenlasers auszurichten. Überwachen Sie die Amplitude der Thermoreflexion und suchen Sie nach dem maximalen Signal, um zu bestätigen, dass die Laser auf der Probeoberfläche zusammenfallen.

Wählen Sie die gewünschte Pumpenleistung und montieren Sie die Probe auf der Mehrachsen-Translationsstufe. Betrachten Sie die Probe durch die CCD-Kamera und passen Sie ihre Position an, um sicherzustellen, dass der Sondenlaser an einer sauberen, unreinheitsfreien Stelle auf der Oberfläche reflektiert wird. Führen Sie die zuvor gezeigten Fokus- und Ausrichtungsverfahren durch.

Bestimmen Sie den Frequenzbereich für die Punktmessung. Überprüfen Sie, dass das gewählte thermische Diffusionsmodell empfindlich und für die Materialeigenschaften innerhalb dieses Bereichs geeignet ist. Wählen Sie den richtigen Empfindlichkeitspegel am Lock-in-Verstärker für den gewählten Frequenzbereich.

Programmieren Sie das virtuelle Instrument der Punktmessungslaboransicht mit dem Lock-in-Empfindlichkeitsniveau, dem Frequenzbereich und der Gesamtzahl der zu messenden Frequenzen. Falls erforderlich, konfigurieren Sie mehrere Stufen mit unterschiedlichen Empfindlichkeitsstufen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu optimieren. Führen Sie die Punktmessung durch und speichern Sie die aufgezeichneten Daten als Textdatei.

Zeichnen Sie die Phasendaten des Lock-in-Verstärkers dreimal auf: einmal für das Sondenlasersignal, einmal für das Referenzlasersignal und einmal für das Rauschen. Blockieren Sie die ungenutzten Strahlen bei jeder Aufzeichnung und blockieren Sie beide Strahlen beim Sammeln von Rauschdaten. Wählen Sie die gewünschte Pumpenleistung.

Montage der Probe auf der Mehrachs-Translationsstufe und positionieren Sie den Laserfleck direkt über dem vorgesehenen Messbereich. Stellen Sie sicher, dass der ausgewählte Bereich frei von Schmutz und Unregelmäßigkeiten in der Oberflächenrauheit ist. Vermeiden Sie es, die Translationsachsen der Schrittmotorstufe an ihre Grenzen zu bewegen, um eine Kopplung mit der Z-Achse zu verhindern.

Programmieren Sie nun den Messbereich in das virtuelle Instrument des Bildmesslabors. Führen Sie zum Beispiel einen schnellen Scan über den vorgesehenen Bereich durch, drei Schritte sowohl in X- als auch Y-Richtung, während Sie den Live-Feed der CCD-Kamera überwachen. Identifizieren und bestätigen Sie die genauen Grenzen des Messbereichs.

Führen Sie das Fokus- und Ausrichtungsverfahren durch. Wählen Sie mindestens fünf Frequenzen aus, bei denen die Probe gescannt wird. Überprüfen Sie, dass das gewählte thermische Modell angemessen empfindlich auf die in diesem Frequenzbereich gemessenen Eigenschaften der Proben ist.

Verriegeln Sie den Sondenlaser und zeichnen Sie die Endphasen-X- und Quadratur-Y-Werte für den Referenzlaser vom Lock und der Verstärkeranzeige auf. Blockieren Sie dann sowohl die Sonde als auch die Referenzlaser, um die X- und Y-Rauschwerte zu erfassen. Wenn die Datenerhebung abgeschlossen ist, entblocken Sie den Sondenlaser.

Gib die Anzahl der Schritte ein, die die Anzahl der Punktmessungen für jede Scanrichtung repräsentieren, in die Laboransicht sechs und starte die Kartenmessung. Sobald die Kartenmessung abgeschlossen ist, wiederholen Sie das Verfahren zur Aufzeichnung von x- und y-Messungen sowohl für Referenz- als auch für Rauschsignale. Schließlich werden die durchschnittlichen X- und Y-Werte vor und nach der Messung für beide Signale berechnet, um die endgültigen korrigierten Ergebnisse zu erhalten.

Die mit der Pikosekunden-Ultraschallmethode gemessene Goldwandler-Schichtdicke zeigte kohärente Schwingungen in der Zeitdomänenwellenform mit einem entsprechenden Fourier-Amplituden-Peak von 29 Gigahertz, was eine Dicke von etwa 55,5 Nanometern ergibt. Messerkantenmessungen bestimmten die Pomp- und Sondenlaserpunktgrößen mit durchschnittlichen Radius von etwa 10 Mikrometern in X- und Y-Richtung, was die kreisförmige Symmetrie der Laserpunkte bestätigte. Die Thermoreflektanz-Flächensensitivitätskurven zeigten ein deutlich frequenzabhängiges Verhalten für die Wärmeleitfähigkeit und die Schnittleitung des Substrats und bestätigten unkorrelierte Eigenschaften zwischen 100 Kilohertz und 10 Megahertz.

Die gemessene Thermoreflexionsphase nahm mit zunehmender Modulationsfrequenz ab und zeigte einen Wendepunkt nahe einem Megahertz, an dem der Wärmefluss von dreidimensional zu eindimensional überging. Monte-Carlo-Simulationen der Unsicherheit der Sondenpunktgröße ergaben Gaußsche Verteilungen für angepasste Substrat-Wärmeleitfähigkeit und Schnittflächenleitfähigkeitswerte mit entsprechenden Unsicherheiten von etwa fünf und 3,3 %. Zunehmende Unsicherheiten bei den Modelleingaben führten zu linearen Zunahmen der Unsicherheit der angepassten thermischen Eigenschaften, wobei Pumpen- und Sondenfleckgrößen die größten Ausbreitungsfehler beitrugen. Die lokale Wärmeleitfähigkeitsabbildung über eine vertikale Siliziumschnittstelle zeigte eine Verringerung der Leitfähigkeit um 3 % an der Grenzfläche, während die Schnittstellenleitungskarte nahezu einheitlich blieb.

Wir haben die thermische Konnektivitätsunterdrückung über Korngrenzen hinweg in Silizium und thermoelektrisch Verfahren gemessen und gezeigt, dass die Menge der Unterdrückung mit den strukturellen Merkmalen der Grenze, wie etwa dem Fehlorientierungswinkel, korreliert. Wir können die Wärmeleitfähigkeit auf Mikrometerebene messen, anstatt uns auf Massenmessungen zu verlassen, die beispielsweise durch Laserblitzanalysen bereitgestellt werden, die lokale Heterogenitäten in der Probe nicht unterscheiden können. Korngrenzen werden typischerweise als strukturlose Defekte angenommen.

Wir verwenden FDTR, um zu zeigen, dass Korngrenzen einzigartige thermische Eigenschaften besitzen, die von ihrer Struktur abhängen.