הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

טכניקת תרמורפלקטנס בתחום התדר למדידות תכונה תרמית

2K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/68908

⸱

5 בדצמבר 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

במאמר זה

סיכום

מאמר זה מציג את טכניקת תרמורפלקרטנס בתחום התדר (FDTR) לאפיון ודימות תרמי מקומי לא הרסני.

תקציר

טכניקת התרמורפלקציה בתחום התדר (FDTR) היא שיטה לא הרסנית לאפיון תרמי ודימות ברזולוציה מרחבית בקנה מידה מיקרו. הטכניקה מתבססת על לייזר משאבה ליצירת שינוי טמפרטורה מודולציה בדגימה ועל לייזר גשוש לניטור התגובה התרמית המקומית של הדגימה. התכונות התרמיות של הדגימה נקבעות על ידי התאמת מודל תרמי לתגובת התרמורפלקטנס של הדגימה. מאמר זה מציג פרוטוקולים מפורטים ליישום הטכניקה ולביצוע מדידות מקומיות של המוליכות התרמית המקומית של המצע. מוקדש דגש מיוחד לדיון כיצד המדידה מושפעת מפרמטרי מקור הלייזר, מקורות שגיאה במדידת FDTR, וכימות אי-הוודאות במדידה. לבסוף, נדון בניסוי הדמיית מוליכות תרמית שנערך ליד ממשק אנכי יחיד בין שני תת-קרבעים סיליקון חד-גבישיים המופעלים על ידי פני השטח. המוליכות התרמית במחבר מדוכאת ב-3% לעומת הערך הכללי בגבישים הבודדים הסמוכים. היכולת לבחון תכונות תרמיות בממשק עם טכניקת FDTR עשויה להקל על מחקרים מקומיים של זרימת חום סביב גבולות גרעינים בודדים, במיוחד בחומרים תרמואלקטריים, שם ניתן לכוונן כדי למקסם את ביצועי המכשירים התרמואלקטריים.

מבוא

כלי מטרולוגיה תרמית ואפיון הם קריטיים לתכנון ואופטימיזציה של חומרים מתקדמים המשמשים למשל בגנרטורים תרמואלקטריים ויישומי קירור 1,2. חומרים עם מוליכות תרמית נמוכה ומוליכות חשמלית גבוהה מועדפים בדרך כלל ביישומים אלו כדי לשמור על גרדיאנט טמפרטורה גדול בין מחברים חמים וקרים, ולצורך המרה יעילה של אנרגיה תרמית לחשמלית. מימוש התכונות השונות הללו בחומרים גבישיים בתפזורת הוא אתגר. עם זאת, הנדסת מיקרו-מבנים באמצעות הכנסת פגמים נקודתיים ואינטרפייסיים (כגון גבולות גרעינים) היא כיוון מבטיח לעיצוב חומרים תרמו-חשמליים בעלי ביצועיםגבוהים 1. רוב מחקרי ההולכה התרמית הנשלטת על ידי גבול גרעין (GB) התמקדו בעיקר בגודל הגרעין כתכונה מבנית בסיסיתחשובה 2,3,4,5, שכן חסרה להם רזולוציה מרחבית לחקור את הסביבה התרמית המקומית של ה-GB. מטרולוגיה תרמית בקנה מידה מיקרו וננומטרי יכולה לספק מידע מקומי על אופן זרימת החום בקרבת ג'יג'יבים בודדים. לדוגמה, מדידות הדמיה תרמית בקנה מידה מיקרו עדכני של Isotta ואחרים 6,7 הראו כי המוליכות התרמית המרחבת (κ) מדוכאת מקומית ליד GBs בודדים בטלוריד הבדיל הפוליקריסטלי (SnTe) ובסיליקון. הדיכוי של κ שנצפה היה קשור לתכונות שונות של GB, כולל זווית סטייה, מחוספסות מישור GB, צפיפות ננוטריינינג ונקבוביות. סוגי מדידות אלו יכולים להקל על כוונון ה-κ על ידי מתן מידע מקומי על הקשר בין מיקרו-מבנה ל-κ. ככל שהעניין בהשפעות המקומיות של פגמים על κ ממשיך לגדול, גישות חישוביות8 וניסיוניות 9,10 שמספקות תובנות לתרומות אלו יהפכו לרלוונטיות יותר ויותר.

שיטות תרמורפלקרטנס אופטי 11,12,13,14,15 משמשות רבות למטרולוגיה תרמית לא הרסנית של מוצקים בתפזוריים, סופר-סריגים דקים וממשקים. השיטות משתמשות בלייזרים אולטרה-מהירים או מודולצי עוצמה כדי לחמם דגימה מקומית ולבחון את תגובתה התרמית ברזולוציה תדר גבוהה או זמנית16, מה שהופך אותן לאידיאליות לאפיון תכונות תרמופיזיקליות. טכניקות תרמורפלקרטנס, כולל תרמורפלקטנס בתחום הזמן (TDTR)13,16 ותרמורפלקרטנס בתחום התדר (FDTR)17,18, הן שיטות המטרולוגיה התרמית ברזולוציה גבוהה הנפוצות ביותר. FDTR משתמש בלייזר משאבה מרוכז בעוצמה כדי ליצור מקור חום מחזורי מקומי בדגימה. שינוי הטמפרטורה של הדגימה מתקבל מומר לאות תרמורפלקטנס התלוי בתדר מודולציה, שמוקלט באמצעות מגבר נעילה. כדי להקל על המדידה, מונחת שכבת טרנסדוסר דקה עם מקדם תרמורפלקטיביגדול 19 באורך גל לייזר הגלאי על הדגימה. טכניקת TDTR, לעומת זאת, משתמשת בלייזרי משאבה ופרוב אולטרה-מהירים, ואות התרמורפלקטנס החולף של שכבת הטרנסדוסר מנוטר בעיכובי זמן שונים בין לייזרי המשאבה ללייזרי הפרוב, עם רזולוציית זמן פיקושנייה.

טכניקות תרמורפלקטנס מציעות רזולוציה מרחבית צדדית בקנה מידה מיקרו לחקירת תכונות תרמופיזיקליות, והמדידות יכולות להיות מותאמות לאפיין גם κ איזוטרופי וגם אניזוטרופי של חומרים. לאחרונה, סוד ואח' השתמשו בטכניקת TDTR למיפוי אי-הומוגניות κ מקומית ביהלום פוליקריסטלי מופופף בבורון, שהיו קשורות להדמיית דיפרקציה של פיזור אלקטרון-אחורה. במדידותיהם, אזורים בדגימה עם גרגרים קטנים היו בעלי κ נמוך יותר בהשוואה לערך הגורל. עם זאת, המדידות שלהם לא הראו האם דיכוי ה-κ נבע מגודל גרעינים קטנים או מ-GBs התנגדותיים. בעקבות עבודה זו, איסוטה ואחרים הראו כי הדיכוי המקומי κ סביב GBs בודדים, שנצפה במפות FDTR בקנה מידה מיקרו של SnTe, חומר תרמואלקטרי בטמפרטורה בינונית, קשור ישירות לזווית הטיה6 של GB, שעד כה נחזה תיאורטית רק 20,21,22,23 או נמדד לעיתים נדירות ב-GBs 24 מיוצרים . בהשוואה לגישת ה-TDTR שבה משתמשים סוד ואחרים, FDTR זולה יותר ומאפשרת מדידה של מספר תכונות, כגון המצע κ וקיבולת החום בלחץ קבוע (C), וההולכה התרמית בממשק הסרט-מצע במדידה אחת המשתרעת על פני טווח תדריםרחב של 25. מפות פאזה תרמורפלקטנסיות דו-ממדיות המתקבלות בתדרי מודולציה של לייזר משאבה מרובים עם הרגישות הגבוהה ביותר לתכונות התרמיות של הדגימה, מומרת לתמונה של κ.

שלב התרמורפלקטנס מייצג את הזזת הפאזה בין תנודות הטמפרטורה המחזוריות על פני שכבת הטרנסדוסר לבין מקור החום המודולט שנוצר על ידי לייזר המשאבה הנספג. בגישה סטנדרטית של FDTR, לייזרי המשאבה והגלאי ממוקדים באותה נקודה על פני הדגימה, ושלב התרמורפלקטנס בנקודה זו נמדד באמצעות מגבר נעילה בתדרי מודולציה שונים של לייזר משאבה. מודל הולכת חום שכבתי מותאם לנתונים הנמדדים כדי לקבוע את תכונות התרמיות של הדגימה (כלומר, κ, C, ומוליכות ממשק הממיר-דגימה)14. וריאציות בגישת FDTR הסטנדרטית מאפשרות רגישות משופרת של פאזה התרמורפלקטנס הנמדדת לκ האניזוטרופי של הדגימה. אלה כוללים שימוש ב-(i) לייזרי משאבה וגשוש26 עם הזזות מרחביות, (ii) מקורות חום בצורת משאבה אליפטית27 או קו28, ו-(iii) מדידות FDTR עם גודל נקודות לייזר משתנהשל משאבה 29. מעבר לאפיון תרמי של תכונות נפזות, ניתן להשתמש בטכניקת FDTR לאפיון תכונות תרמיות בממשק 30,31,32,33,34,35, שכן עומק החדירה התרמית של מקור החום, המוגדר כ- figure-introduction-1 תלוי בתדר מודולציית הלייזר במשאבה (f). הממשק יוצר התנגדות תרמית עקב העברת והחזרת נשאי חום (כלומר, אלקטרונים ופונונים)36. ההתנגדות מאופיינת בניסויי FDTR במונחים של מוליכות תרמית בממיר. מדדי FDTR של מוליכות תרמית בממשק של מונולייריםמורכבים בעצמם 33,35, ממשקי מתכת-מצע37,38, ושכבת ממשק דקהS 39 דווחו בספרות. לבסוף, מדידות FDTR עם סרטי טרנסדוסר מגנטיים דקים הראו לאחרונה כדי לאפשר אפיון κ אניזוטרופי של חומרים דו-ממדיים40.

מאמר זה מספק תיאור מפורט של ההליכים המעורבים במדידת FDTR המשתמשת בלייזרים ממוקדי קואקסיאלית במשאבה ובגלאי על פני השטח של הטרנסדוסר. מדדים מייצגים של κ מקומי של מצע סיליקון בתפזורת מסופקים, ואי-הוודאויות במדידה נמדדות. לבסוף, אנו מספקים דוגמה פשוטה שממחישה את הדמיית FDTR של κ המקומי ליד ממשק אנכי יחיד בין שני (100) תת-קרבלים סיליקון חד-גבישיים המחוברים על ידי קישור מופעל על פני השטח (SAB).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. הגדרת מערכת FDTR

הערה: דיאגרמה סכמטית של ההתקנה הניסויית מוצגת באיור 1, והרכיבים המסחריים הנלווים מופיעים בטבלת החומרים. השלבים הבאים מתארים את התקנת לייזרי המשאבה והגלש, וכן את מערכת קליטת האותות.

  1. התחל בהתקנת לייזר דיודה מודולציה בעוצמה אלקטרו-סופגת (EML) בהספק נמוך (1 מ"וואט) עם אורך גל בסיסי של 1550 ננומטר. התקן את ה-EML על מתקן דיודת לייזר פרפר המשולב עם בקר זרם וטמפרטורה של דיודת לייזר (LDC). יש להבטיח מגע תרמי טוב בין ה-EML למתקן הפרפר באמצעות משחה מוליכה תרמית (למשל משחת כסף), כך שהמקרר התרמו-חשמלי (TEC) ב-EML יוכל לשמור על טמפרטורת לייזר הדיודה ביעילות. הגדר את זרם דיודת הלייזר המתאים ב-LDC כדי לשלוט בהספק היציאה של ה-EML. הפעל את בקר ה-TEC ב-LDC ואפשר עד 10 דקות להתייצב טמפרטורת ה-EML בערך המתאים לפני הפעלת זרם דיודת LDC ל-EML.
    הערה: זהו לייזר המשאבה. אורך הגל של 1550 ננומטר נספג בחוזקה על ידי מתמר הזהב.
  2. כדי למודול את עוצמת לייזר הדיודה, הנע את ה-EML עם אות RF בתדר רדיו סינוסואידלי עם הטיית מתח, בתדרים בין 100 kHz ל-80 MHz. חלק את מתח היציאה ממחולל אות RF ושלח חצי מהאות ליציאת ההתייחסות של מגבר נעילה. שלחו את החצי השני של האות לטי הטיה יחד עם מתח ביאס נפרד, ומחברים את יציאת היציאה של טי ההטיה ל-EML.
    הערה: השימוש בטי הטיה עשוי להיות אופציונלי בהתאם למפרט לייזר הדיודה; המטרה העיקרית של מערכת זו היא למודל את עוצמת הפלט של ה-EML.
  3. כדי להגביר את פלט ה-EML, הזינו את יציאת הסיב האופטי מה-EML למגבר סיבים עם סיבים מסובים (EDFA) בהספק 5 וואט. הפלט של ה-EDFA הוא לייזר המשאבה למערכת FDTR. שלוט בעוצמת הלייזר של המשאבה מה-EDFA כדי להשיג את העוצמה הרצויה על פני הדגימה.
  4. קולימיזציה של אור הפלט מסיב ה-EDFA באמצעות עדשה מתאימה. כדי למנוע השתקפויות אחוריות מאופטיקות שונות בחלל חופשי במערכת FDTR אל ה-EDFA, כוון את האור המועבר מהקולימטור אל מבודד אופטי פאראדיי.
  5. כוון את קרן היציאה מהבודד אל פני הדגימה באמצעות מערכת הדמיה אופטית 4-f, הכוללת מראת סריקה גימבל, שתי עדשות ממסר ומטרה למיקרוסקופ. מכיוון שאורך הגל של הלייזר במשאבה נמצא באזור האינפרא-אדום של הספקטרום האלקטרומגנטי, ולכן הלייזר אינו נראה, השתמש בכרטיס פלואורסצנטי ליישור לייזר המשאבה דרך מערכת ההדמיה 4-f ובאופן קוליניארי עם לייזר הגשוש לאורך הציר האופטי של המיקרוספנץ'.
    הערה: מערכת ההדמיה 4-f מצלמת את מרכז מראת הסריקה אל הצמצם האחורי של האובייקטיבי. זה מאפשר סריקה של לייזר המשאבה הממוקד המועבר דרך מטרת המיקרוסקופ על פני הדגימה, על ידי שינוי זווית הכניסה של האור לפתח האחורי של האובייקטיב מבלי להזיז את קרן הקלט לצמצם המיקרוסקופ.
  6. לאחר מכן, התקן את לייזר הגשש, שהוא לייזר דיאודה אלומיניום גרנט רציף (Nd-YAG) עם תדר כפול ניאודימיום, על מתקן מקורר פסיבי. עוצמת הגשושית המקסימלית ואורך הגל הם 50 mW ו-532 nm, בהתאמה. בדומה ללייזר המשאבה, כוון את פלט לייזר הדיודה דרך מבודד אופטי פאראדיי. כמו כן, השתמש במערכת דו-עדשתית כדי לכוון את גודל הקרן הקולימטית של הלייזר היוצאת מהמבודד.
  7. יש להניח לוח חצי-גל במסלול הקרן של לייזר הגשוש, ואחריו מפצל קרן מקטב (PBS); תצורה זו משמשת כמחלשת משתנה, המאפשרת למשתמש לשלוט בעוצמה האופטית המועברת לדגימה. כוון את פלט המתחלש המשתנה דרך לוח רבע גל לפני שהאור מגיע למטרת המיקרוסקופ. סובב את הציר המהיר של לוח רבע גל זה ב-45 מעלות ביחס לכיוון הקיטוב של לייזר הגלאי, מה שמסובב למעשה את הקיטוב של האור ב-90 מעלות בשני מעברים דרך האופטיקה.
    הערה: דבר זה מבטיח שאור הגשוש המוחזר מפני הדגימה יוסט לפוטוגלאי מהיר ולא חזרה ללייזר הדיודה.
  8. העבירו את לייזר הגשוש למרכז מטרת המיקרוסקופ קואקסיאלית עם לייזר המשאבה. יישר את לייזרי המשאבה והפרוב לאורך הציר האופטי של מערכת מיקרו-ספסל כדי להבטיח ששתי הקרניים יישארו קואקסיאליות בזמן שעוברות דרך המטרה.
    הערה: יישור נכון הוא קריטי כדי להבטיח שלייזרי המשאבה והפרוב יישארו לאורך הציר האופטי של המיקרובנצ'ל וקולינאריים בין מישורי המוקד של המשאבה ללייזרי הפרוב.

figure-protocol-1
איור 1: סכמטי של מערכת הניסוי של FDTR.אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

  1. כדי לקרוא את אות התרמורפלקטנס שמועבר לפוטוגלט על ידי לייזר הגשש, הזין את פלט הפוטוגלט למגבר נעול. ודא שתגובת התדר של הפוטוגלטור ומגבר הנעילה מאפשרת מדידת אותות מודולציה בתדר מודולציית הלייזר של המשאבה.
  2. הקלט את עוצמת הלייזר של המשאבה במיקום הדגימה. הניחו מד הספק מתחת למטרת המיקרוסקופ וקראו את רמת ההספק של לייזר המשאבה בזמן שלייזר הגשוש חסום.
  3. כדי לצלם את פני השטח של הדגימה, יש לכוון את האור המוחזר מהדגימה דרך עדשת צינור למצלמת CCD, שם נוצרת תמונת פני השטח. הצב מראה דיכרואית (קרה) נשלפת בין המיקרוסקופ לעדשת הצינור כדי לכוון את האור המוחזר משטח הדגימה למצלמת ה-CCD.
    הערה: יש להסיר את המראה הקרה בעת ביצוע מדידות - היא משמשת רק כאשר מתבוננים במשטח הדגימה עם מצלמת CCD. השלבים הבאים דורשים הבנה של תהליך ניתוח האותות. הפאזה של התרמורפלקרטנס המודולטורי, שהוא עוצמת הלייזר התלויה בטמפרטורת פני השטח של הדגימה, היא האות הקריטי המעניין במדידת FDTR. מגבר הנעילה רושם את המשרעת והפאזה של אות התרמורפלקטורנס. עם זאת, מקורות אות לא רצויים אחרים מעורבבים עם שלב התרמורפלקטנס. באופן ספציפי, אות הפאזה ((φ דגימה) כולל שילוב של פאזה תרמורפלקטנסית של הדגימה (φTR), הזזת הפאזה הקשורה למרחק המסלול האופטי (OPD) שעובר לייזר הגשוש ממשטח הדגימה אל גלאי הפוטוגלט (φOPD), ותרומות רעש פאזה נוספות הנובעות מאלקטרוניקת הגילוי (φ רעש). כדי לבטל את תרומת ה-OPD והרעש לפאזה שזוהה, יש ליישם מסלול קרן משני כנקודת ייחוס, אשר כאשר הוא מזהה, מכיל גםרעש φ OPD וגםרעש φ אך לא φTR. בדרך זו, ניתן להפיק את שלב התרמורפלקטנס מאות הגשוש (φ דגימה) על ידי חיסור הפאזה הייחוסית: φTR =φ דגימה - φרפרנס. מושג זה מוצג באיור 2A, שבוגם φ הדגימה וגם φנמדדים ביחס לאות ה-RF שמספק מחולל אות ה-RF למגבר הנעילה. דוגמה לשלב חיסור פאזה זה עם נתוני פאזה אמיתיים מוצגת באיור 2B. בעת בניית מסלול קרן הייחוס, יש לשלב שלושה שלבים קריטיים: (1) להתאים את מרחק המסלול האופטי למרחק שעבר לייזר הגשוש ממשטח הדגימה לפוטוגלטור, (2) לזהות את קרן הייחוס באמצעות אותו גלאי פוטו-גלאי כמו אות הדגימה, ו-(3) מודולציה של עוצמת קרן הייחוס באמצעות אותו אות RF שמווסת את לייזר המשאבה. אנו מציינים כי הפוטוגלאי אינו מגיב לאורך גל הלייזר של המשאבה והקרן המוחזרת של המשאבה אינה מגיעה לגלאי הפוטו-גלאי הנראה. לכן, אור המשאבה המוחזר משטח הדגימה אינו משפיע על שלב התרמרפלקטנסי.

figure-protocol-2
איור 2: שלב התרמורפלקטנס המחושב על ידי הפחתת פאזה של אות הייחוס מפאזה של אות הגשוש. הזזות פאזה אלו מוצגות באופן מושגי ב-(A), ודוגמה עם נתוני מדידת נקודות ממשיות מוצגת ב-(B). אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

  1. להפריד חלק מקרן המשאבה כדי ליצור את קרן הייחוס, וכך למלא את הדרישה (3). אנא עיין בהערה שלמעלה. עשה זאת על ידי התקנת חצי גל ו-PBS כמחלש משתנה (בהתאם לאותו הליך שתואר בשלב 1.6) במסלול הקרן, שבו האור שה-PBS מחזיר משמש כקרן ייחוס.
  2. מכיוון שהלייזר המשאבה (1550 ננומטר) אינו ניתן לזיהוי על ידי גלאי האור הנראה שמזהה את לייזר הגשוש (532 ננומטר), לאחר מכן העבירו את קרן הייחוס דרך גביש ליתיום ניובאט (PPLN) עם קוטב תקופתי (SHG) ליצירת קרן של 775 ננומטר. זה עומד בדרישה (2).
  3. בנה את המסלול האופטי מפלט גביש PPLN (נקודת יצירת גל של 775 ננומטר) לפוטגלאי כך שיהיה באורך זהה למרחק המסלול האופטי שעובר לייזר הגשוש בין משטח הדגימה לגלאי הפוטו. התקן קו עיכוב אופטי במסלול האופטי של קרן הגשוש כדי לשלוט בדיוק ב-OPD של הלייזר המוחזר (532 ננומטר) ביחס ללייזר הייחוס (775 ננומטר). השתמש בדגימת כיול, כמו שכבה דקה מזהב על מצע סיליקון, עם תכונות ידועות, והזיז את קו ההשהיה כך שיתאים לפאזה התרמורפלקטנסית הנמדדת לאורך טווח התדרים המעניין בחישובי מודל תרמי.
  4. ודא שטמפרטורת גביש PPLN מכוונת לאופטימיזציה של הספק שנוצר על ידי התאמת ההגדרה בבקר PID של הגביש עד למקסום משרעת אות הפוטוגלטור.

2. הכנת דוגמאות

הערה: כדי לבצע ניסוי FDTR מוצלח, יש ללטש את פני השטח של הדגימה לגימור דמוי מראה כדי להפחית השתקפויות מפוזרות ושינויים בגובה שעלולים לגרום להפקת המיקוד של הלייזר או לשינויים בספקולריות קרן הגשוש המוחזרת, בזמן סריקה על פני המשטח. לאחר נקודה זו, יש להפקיד ולאפיין את שכבת הטרנסדוסר המתכתית.

  1. ללטש את הדגימה באמצעות מתלים בגודל חלקיקים קטן בהדרגה עד להשגת גימור דמוי מראה. לדוגמה, השתמשו בסדרת מתלים יהלום עם גדלי חלקיקים הנעים בין 5 מיקרון ל-250 ננומטר. מסיימים עם תלייה של סיליקה קולואידלית, מלוטשים עד שמושג גימור דמוי מראה.
    הערה: משך כל שלב ליטוש וגודל החלקיקים תלויים בדגימה.
  2. כשלב ניקוי אחרון, טחנו את המשטח ביונים במשך 10 דקות.
  3. מדידת חספוס השורש-ממוצע-ריבוע של המשטח באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM); החספוס של ה-RMS צריך להיות מתחת ל-20 ננומטר.
  4. לאחר הליטוש, יש להניח שכבת מתמר מתכת על פני הדגימה. ללייזר גלאי 532 ננומטר, יש להחיל שכבת זהב דקה כשכבת הטרנסדוסר בשל מקדם התרמורפלקטור הגבוה19. למשטח הטרנסדוסר החלק ביותר, השתמש במאייד קרן אלקטרונים (e-beam) כדי לצפות שכבת זהב אחידה על הדגימה בשכבה בעובי של מעל 40 ננומטר. למדידות מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) של עובי הטרנסדוסר, הדביקו רצועת זכוכית דקה על פני הדגימה כדי לשמש כמסכת צל לפני הכנסת הדגימה למאייד קרן ה-e. לאחר מכן, השלים את הפקדת הזהב.
    הערה: הממיר חייב להיות עבה יותר מעומק העור האופטי של זהב (≈20 ננומטר לאור 532 ננומטר), אך רצוי עבה יותר מפעמיים מעומק העור האופטי כדי לספק אות מוחזר חזק מספיק.
  5. מדדו את עובי שכבת הזהב באמצעות שיטת האולטרסונולית פיקושנייה41 (איור 3A), AFM או כל טכניקה אחרת עם רזולוציה מספקת. אם משתמשים ב-AFM, סרקו את ה-AFM על הקצה הזהוב החד שנוצר על ידי מסכת הצללים; גובה המדרגה הזה הוא עובי הזהב.
  6. אם המוליכות התרמית של הזהב אינה ידועה, יש לבצע מדידת ואן דר פאו42 על שכבת זהב שהונחתה על מצע מבודד, כגון זכוכית. חלופה נוספת היא לבצע מדידת FDTR של שכבת הזהב שהושקעה על מצע סטנדרטי בעל מוליכות תרמית ידועה.
    הערה: המוליכות התרמית של הזהב ידועה כמשתנה מעט בהתאם לעובי הסרט43.

3. הגדרת מדידה

  1. הפוך את מתג ההפעלה של לייזר הדיודה 532 ננומטר למצב הפעלה כדי להפעיל את ספק הכוח. המתינו עד שהאור המופעל יידלק, ואז טמפרטורת גביש הלייזר מתייצבת, וסובבו את מתג הלייזר כדי להתחיל את פליטת הלייזר באורך 532 ננומטר. הספק הלייזר של גלאי קלט של 20-30 mW מספיק לזיהוי אות התרמפלקטנס. השתמש במד כוח כדי לוודא שהכוח של הלייזר נמצא בטווח הזה לפני שאתה ממשיך.
  2. הפעל את בקר הדיודה בלייזר המשאבה, ואפשר קירור תרמואלקטרי על ידי קביעת ערך ההתנגדות המתאים לפי מפרט לייזר הדיודה (למשל, 10 kΩ). לאחר שהטמפרטורה התייצבה, הפעל את זרם הלייזר.
  3. הפעל את ה-EDFA והגדר את ההספק הפלט לערך רצוי (למשל, 1 וואט).
    הערה: ערך זה צריך להיבחר על פי הדיפוזיביות התרמית ונקודת ההתכה של חומר הדגימה. יש לזכור שההספק המועבר לדגימה קטן מההספק שנקבע במגבר הסיבים (ראה שלב 1.10 למדידת ההספק במיקום הדגימה). ניתן להעריך את כמות ההספק הנספג בהתבסס על אורך הגל של המשאבה וספיגת הטרנסדוסר.
  4. הגדר את תדר ה-RF, משרעת ה-RF ומתח ההטיה במחולל(ים) האות כדי למודול את עוצמת הלייזר של המשאבה.
  5. הפעל את מגבר הנעילה ואת גלאי הפוט. ודא שפורט הייחוס מחובר ליציאת מחולל אות ה-RF ושפורט הקלט מחובר לפוטגלטור.
  6. הפעל את בקר הטמפרטורה של גביש PPLN והפעל את בקרת ה-PID.
  7. התקן את הדגימה על שלב דיוק רב-צירי הכולל כפתור מיקרומטר לכיוון גובה הבמה (מיקום Z). הדביקו את הדגימה לבמה באמצעות סרט דק דו-צדדי כדי למנוע מהדגימה להחליק במהלך המדידה.
  8. למקד את הלייזרים על משטח הדגימה. התחילו בהתקנת המראה הקרה מעל האובייקטיב והתבוננו במשטח הדגימה דרך מצלמת CCD (ראו שלב 1.10). כוון את כפתור ה-Z על הבמה עד שמשטח הדגימה יתמקד בשידור חי של המצלמה. המשך למקד עד שנקודת הלייזר מגיעה לגודלה המינימלי. לאחר שסיימו, הסר את המראה הקרה.
    הערה: מטרת שלב זה היא למקם את משטח הדגימה במישור המוקד הרצוי. לדוגמה, מישור המוקד של הגשוש נמצא על ידי מיקוד לייזר הגשושית לגודל הנקודה הקטן ביותר על פני הדגימה.
  9. לאחר מכן, ודא שהמשאבה ולייזרי הגשוש ממוקדים באותה נקודה בדגימה. באמצעות המכשיר הווירטואלי הנדרש LabVIEW (VI), כוון את זוויות ההטיה של מראת ההיגוי של הגימבל (ראה שלב 1.5) עד שלייזר המשאבה מיושר לאורך הציר האופטי של לייזר הגשוש. חפש משרעת תרמורפלקרטנס מקסימלית כדי לדעת מתי הלייזרים חופפים על פני הדגימה.

4. מדידת גודל נקודות

הערה: מדידות תרמורפלקרטנס של תכונות תרמיות ידועות כמראות רגישות קיצונית לגודל הנקודתיהנמדד 17. להלן הליך למדידת גודל נקודתי של הלייזר של המשאבה או הפרוב. השלבים הכלליים החלים על שני הלייזרים מסופקים ב-4.1 - 4.6, ולאחר מכן שיקולים מיוחדים ללייזרי המשאבה והגלאי הבודדים בשלבים 4.7 - 4.10.

  1. רכש דגימת "קצה סכין", הכוללת דפוסי זהב שהונחו על.
    הערה: ניתן לרכוש דגימות סטנדרטיות או לייצרן באמצעות ליתוגרפיה של קרן פוטו או אלקטרונים כדי להבטיח ממשק חד מספיק.
  2. התקן את הדגימה על שלב התרגום רב-צירי (ראו שלב 3.7).
  3. מקמו את הדגימה כך שנקודת הלייזר קרובה לקצה הזהב הרצוי, כאשר הקצה מיושר בניצב לכיוון הסריקה הרצוי (או x או y). הזז את הדגימה ידנית או עם שלב תרגום גדול נפרד, ואז כוון את המיקום באמצעות הכפתורים על הבמה. אין להשתמש בכפתורים אלו לכיוון שטח גדול, שכן חשוב שצירי שלב ההזזה יהיו ממורכזים במהלך מדידת הסריקה.
    הערה: אם מיקום הבמה אינו במרכז במהלך המדידה, עלולה להיווצר צימוד בין צירים מרובים שמטה את מיקום הדגימה ועלול להזיז את הדגימה מחוץ למישור המוקד.
  4. השלמו את תהליך אתחול, מיקוד ויישור לייזר של מערכת FDTR, כפי שמפורט בסעיף הגדרת המדידה בפרוטוקול (שלבים 3.1 עד 3.10).
  5. הפעל את בקר שלב התרגום, אפס כל מפעיל בקרת תנועה, והזן את מספר הזיהוי של הבקר ל-LabVIEW VI.
  6. ב-VI, הכניסו את אורך הסריקה הרצוי בכיוון הסריקה הראשי (מסומן "A") ואת מספר הסריקות הקווים הרצויות בכיוון "B". הזן את גודל הצעד בכל כיוון.
    הערה: סריקת קו טיפוסית עשויה לכלול אורך של 20-100 מיקרון עם גודל צעד של 0.2-1 מיקרון, בהתאם לגודל נקודת הלייזר.
  7. סרוק את ממשק הקצה של הסכין והקלט את אות עוצמת האור המוחזר. עבד את הנתונים באמצעות קוד "SpotSizeFit.py" כדי לחשב את רדיוס נקודת הלייזר. הקוד מסופק בחומר התומך.
    הערה: ניתן לזהות את האור המוחזר או המשודר, מה שנוח ביותר להגדרה נתונה.
  8. חזור על שלבים 4.3-4.7, סורק על קצה זהב חד בכיוון הניצב לסריקה הקודמת. חשב את רדיוס הנקודה הממוצע ואת סטיית התקן בין כיווני הסריקה הניצבים.
    הערה: לכתם הלייזר צריכה להיות אקסצנטריות קרובה ל-1. כמו כן, בהתחשב באורכי הגל של כל לייזר ובסכמת המודולציה המתוארת בשלבים 1.1 עד 1.15, ישנם שיקולים נוספים ייחודיים למדידות של כל לייזר: (1) לייזר המשאבה (1550 ננומטר) דורש גלאי אינפרא-אדום (IR), שכן לא ניתן לזהותו באמצעות גלאי האור הנראה. (2) מחולל אות ה-RF אינו מודולציה ישירה של לייזר הגלאי, ולכן דורש מודולציה נפרדת, שניתן להשיג באמצעות חיתוך מכני. עם זאת, זה מוסיף שיקול שלישי: (3) צ'ופרים מכניים אינם פועלים בתדרי רדיו, ולכן אות הגשוש הקצוץ לא יכול להיקלט על ידי אותו מגבר נעילה כמו האותות המודולטים ב-RF. (לדוגמה, למגבר הנעילה SR844 יש חיתוך בתדר נמוך ב-20 קילוהרץ.) שלושת השיקולים הללו מטופלים בשלבים הבאים.
  9. התקן פוטוגלאי IR וכיוון חלק מקרן המשאבה המוחזר מהדגימה אל הגלאי הזה. לדוגמה, חלק מהקרן המוחזרת תצא מה-PBS המותקן בשלב 1.9, וקרן זו יכולה להיות מופנית לפוטוגלט האינפרא-אדום.
  10. התקן קוצץ מכני במסלול קרן הגשש, מותקן על קצף לדיכוי רעידות.
  11. לפני תחילת מדידת גודל נקודת המשאבה, תחילה מחברים את אות ה-RF ליציאת ההתייחסות של מגבר SR844, ואת גלאי הפוטו-IR ליציאת הכניסה של מגבר SR844.
  12. לפני תחילת מדידת גודל נקודת הגלאי, תחילה יש לחבר את יציאת הבקר של המגבר המכני ליציאת ההתייחסות של מגבר הנעילה SR830, ואת גלאי האור הנראה ליציאת הכניסה של מגבר ה-SR830.
  13. הרץ כל מדידת גודל נקודתי (משאבה או גלש) באמצעות ה-VI הנדרש למגבר הנעילה הנתון.

5. מדידות נקודתיות

הערה: מדידות נקודתיות משמשות למדידת תכונות התרמיות המקומיות בנקודה אחת על פני הדגימה. בדרך כלל, נמדדים מוליכות תרמית של חומר המצע והמוליכות התרמית של הממשק בין טרנסדוסר הזהב למצע. תכונות אלו נחשבות למדידה ממוצעת על פני שטח הכולל את גודל הנקודה האפקטיבי של לייזרי המשאבה והפרוב13,17.

  1. התקן את הדגימה על שלב התרגום רב-צירי (ראו שלב 3.7).
  2. צפו בדגימה דרך מצלמת ה-CCD והתאימו את מיקומה כדי להבטיח שהלייזר המוחזר בנקודה נקייה מלכלוך וזיהומים אחרים.
  3. בחר את רמת עוצמת המשאבה והשלים את הליך המיקוד והיישור המפורט בשלבים 3.1 עד 3.10.
  4. החליטו על טווח התדרים של מדידת הנקודה. ודאו שמודל הדיפוזיה התרמית רגיש ומתאים לתכונות הנמדדות בטווח תדרים זה.
  5. בחר את רמת הרגישות המתאימה במגבר הנעילה לטווח תדרי המדידה. תכנת את מדידת הנקודה, LabVIEW VI, עם רמת הרגישות הנעילה, טווח התדרים ומספר התדרים הכולל שיש למדוד. במידת הצורך, תכנתו מספר שלבים עם רמות רגישות שונות כדי למקסם את יחס האות לרעש (SNR).
  6. הרץ את מדידת הנקודה ושמור את הנתונים בקובץ .txt. הקלט את נתוני הפאזה ממגבר הנעילה שלוש פעמים, עבור (1) אות הלייזר של הגשוש, (2) אות לייזר ייחוס, ו-(3) הרעש. תמיד חסום את הקרן שאינה נמדדת, וחסום גם קרני בדיקה וגם קרני ייחוס כדי להקליט את נתוני הרעש.
  7. כדי להתחשב ברעש של כלי או סביבה, חזור על שלבים 5.2-5.5 וממוצע את התוצאות המותאמות.

6. מדידות תמונה

הערה: תמונות תכונה תרמית הן מפות דו-ממדיות של תכונות התרמיות הנמדדות על פני שטח, שנוצרות על ידי סריקת הלייזרים על פני הדגימה ואיסוף מערך מדידות נקודתיות.

  1. התחל בהתקנת הדגימה על שלב התרגום הרב-צירי (ראה שלב 3.7) ומקם את נקודת הלייזר מעל אזור המדידה על ידי ניטור מצלמת ה-CCD. בדוק שהאזור נקי מלכלוך ואי-סדירויות במחוספסות.
    הערה: הימנעו מהזזת צירי ההעברה של שלב מנוע הצעד לקיצוניותם כדי להימנע מקישור לציר Z. ראה שלב 4.3.
  2. תכנתו את אזור המדידה לתוך מדידת התמונה LabVIEW VI. בצע סריקה מהירה על אזור המדידה (למשל, שלושה שלבים בשני כיווני x ו-y) תוך כדי ניטור שידור חי ממצלמת CCD, ורשום את אזור המדידה המדויק.
  3. בחר את רמת עוצמת המשאבה והשלים את הליך המיקוד והיישור המתוארים בשלבים 3.7-3.10 בפרוטוקול 3.
  4. בחר לפחות חמישה תדרים לסריקת הדגימה. ודא שהמודל התרמי רגיש לתכונות הנמדדות בטווח תדרים זה.
  5. חסום את לייזר הגשוש והקלט את קריאות הפאזה ( כלומר, X) וקוודרטורה ( כלומר, Y) מתצוגת המגבר הנעילה עבור לייזר הייחוס. לאחר מכן חסום גם את הלייזרים של הגשוש וגם את לייזרי ההתייחסות כדי להקליט את קריאות הרעש X וה-Y . כשהבדיקה מסתיימת, פתח את חסימות הלייזר של הגשוש.
  6. בחר את מספר השלבים (כלומר, מספר מדידות הנקודות) בכל כיוון סריקה (x ו-y) ב-LabVIEW VI. הרץ את מדידת המפה.
  7. חזור על שלב 6.5 כשהמדידה הסתיימה. חשב את ממוצע X ו-Y לפני ואחרי המדידה, הן עבור אות הייחוס והן עבור אות הרעש.
    הערה: ניתן היה לאסוף מדידות ייחוס ורעש בכל מיקום מדידה בסריקה, אך הדבר יגדיל משמעותית את הזמן הנדרש לכל מדידת תמונה. על ידי ממוצע של כמויות אלו משתי מדידות (אחת לפני ואחת אחרי הסריקה המרחבית), זמן המדידה הכולל מתקצר משמעותית. על ידי ביצוע השלבים הפרוצדורליים המתוארים בסעיף הפרוטוקול, המשתמשים יכולים לבנות מערכת FDTR, להכין דגימות לאפיון תרמי, ולבצע מדידות נקודתיות ותמונה של κ מקומי. בסעיף הבא, אנו מדגים מדידות של κ מקומי על מצע סיליקון חד-גבישי המשתמש בפרוטוקולים אלו ומגיבים על מקורות אי-הוודאות והמגבלות ביישום FDTR.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

מדידות נקודתיות

מטרת מדידת הנקודה, המוצגת כאן, היא לקבוע את ההולכה התרמית בטמפרטורת החדר (κ) של (100) סיליקון חד-גבישי בהתבסס על פאזה התרמורפלקטנס הנמדדת של סרט מתמר הזהב על הדגימה. מודל הולכת חום דו-שכבתי מותאם לנתוני הפאזה הנמדדים כדי לקבוע את המצע κ המתאים ביותר ואת מוליכות התרמית (G) בממשק הממיר-סיליקון. עובי המתמר הנמדד, המוליכות התרמית, גודל נקודות הלייזר של המשאבה והפרוב, ופרמטרים רלוונטיים נוספים הם קלטים למודל.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

טכניקת FDTR המוצגת כאן משמשת לאפיון המצע המקומי κ של מצע סיליקון חד-גבישי ולמיפוי התפלגות κ סביב ממשק בין שני תת-קרבעים סיליקון מסונטרים בפלזמה. היבט קריטי במדידה הוא השימוש בהתאמת המידול לקביעת התכונות התרמיות הלא ידועות של המצע ושל ממשק הממיר-מצע. דיוק המדידה תלוי בבחירה הנכונה של גודל הנקודה ותדרי המודולציה של לייזר המשאבה, ובידע מוקדם על קלטים קריטיים של המודל כגון עובי ו-κ של הטרנסדוסר, ובגודל נקודות הלייזר של המשאבה והפרוב. עבור גדלי נקודות לייזר במשאבה קטנים (כלומר, בגודל מיקרון) ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים אינם חושפים ניגודי עניינים.

תודות

חלק מהמחברים נתמכו במימון חלקי ממרכז ההנדסה, קיימות והחוסן של אוניברסיטת נורת'ווסטרן באמצעות פרויקט במימון זרע שכותרתו "לקראת הנדסת מטא-חומרים לפתרונות אנרגיה ברי קיימא: תכונות תרמיות מקומיות של גבולות דגנים בחומרים פוליקריסטליים".

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
שלב NanoMax תלת-צירי, הנעות מנוע סטפרThorlabsMAX383שלב התרגום לדוגמה
לייזר גל רציף 532 ננומטרספקטרפיזיקהSPFL 532-20לייזר גשוש
דאבלט אכרומטי, f=150 מ"מ, 2"ThorlabsAC508-150-C-MLעדשות ממסר במערכת ההדמיה האופטית 4-f המשמשות לצילום מרכז סורק הגימבל אל הצמצם האחורי של מטרה המיקרוסקופ
קוביית מפצל קרנייםThorlabsBS019אופטיקה
מד חשמל/אנרגיה בפס רחבמלס גריוט13PEM001למדוד עוצמת לייזר
בקר פיקומוטור סגור בלולאה סגורהפוקוס חדש8743-CLלסריקת קרן המשאבה על פני הדגימה
מצלמת CMOS צבעוניתThorlabsCS165CU1להדמיית משטח הדגימה
אספקת חשמל מוגבלת בזרםפוקוס חדש901כדי להפעיל את הפוטוגלטור המהיר
מגבר סיביםIPG PhotonicsLDR-3Uלייזר משאבה
מבודד מרחב חופשי, 1550 ננומטרThorlabsIO-5-1550-HPלמניעת החזרות אחוריות של לייזר המשאבה למגבר הסיבים
מבודד בחלל חופשי, 532 ננומטרThorlabsIO-3-532-LPלמניעת השתקפויות לאחור של לייזר הגשוש אל לייזר הדיודה
פונקציה / מחולל גל שרירותיאג'ילנט33220Aלצורך מודולציה של עוצמת הלייזר של המשאבה
מתקן אופטיקה גימבלניופורט605-2לסריקת קרן המשאבה על פני הדגימה
מראות זהב, 1"ThorlabsPF10-03-M01מראות בעלות רפלקטיביות גבוהה ללייזר המשאבה
חצי גל (1550)ThorlabsWPH05M-1550אופטיקת קיטוב
חצי גל (532 ננומטר)Thorlabsאופטיקת קיטוב
מקלט פוטור IR 1 GHz עם רעש נמוךפוקוס חדש1611למעקב אחר עוצמת המודולציה של לייזר המשאבה
בקר דיודות לייזרILX Lightwave LDC-3742Bלשליטה בעוצמת הלייזר של משאבת הזרע
מגבר נעילהStanford Research
Systems		SR844למדידות בתדר גבוה
מגבר נעילהStanford Research
Systems		SR830למדידות בתדר נמוך
בקר מסוק מכנימערכות מחקר של סטנפורדSR540לצורך מודולציה של עוצמת קרן הגשוש
MgO:PPLN קריסטלקובשןקריסטל הדור ההרמוני השני לתדר שמכפיל את לייזר המשאבה 1550 ננומטר למקור אור ייחוס של 775 ננומטר
קוביית מפצל קרן מקוטבתThorlabsPBS254אופטיקת קיטוב
מחולל אותות RFאג'ילנטN9310Aלצורך מודולציה של עוצמת הלייזר של המשאבה
בקר מנוע סטפרThorlabsBSC200בקר לשלב תרגום הדגימה
בקר טמפרטורהקובשןOC1לשליטה בטמפרטורת גביש MgO:PPLN
פוטומברסיבר Visible 1 GHz עם רעש נמוךפוקוס חדש1601למעקב אחר אות התרמורפלקטנס

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

Lock In
טכניקת תרמורפלקטנס בתחום התדר למדידות תכונה תרמית
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.