La Tecnica della Termoriflettanza nel Dominio della Frequenza per le Misurazioni delle Proprietà Termiche

Alesanmi R. Odufisan; Benjamin Stern; Ryohei Nagahiro; Rosemary Wynnychenko; Sevan Chanakian; Junichiro Shiomi; Eleonora Isotta; Oluwaseyi Balogun

doi:10.3791/68908

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Articolo metodologico

La Tecnica della Termoriflettanza nel Dominio della Frequenza per le Misurazioni delle Proprietà Termiche

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DOI:

10.3791/68908

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5 dicembre 2025

Alesanmi R. Odufisan¹ , Benjamin Stern² , Ryohei Nagahiro³ , Rosemary Wynnychenko²^,⁴ , Sevan Chanakian⁵ , Junichiro Shiomi³^,⁶ , Eleonora Isotta⁷ , Oluwaseyi Balogun²

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

In questo articolo

Sommario

Questo articolo presenta la tecnica della Termoriflettanza nel Dominio della Frequenza (FDTR) per la caratterizzazione termica locale non distruttiva e l'imaging di immagini termiche.

Abstract

La tecnica della termoriflettanza nel dominio della frequenza (FDTR) è un metodo non distruttivo per la caratterizzazione termica e l'imaging con risoluzione spaziale su scala microscopica. La tecnica si basa su un laser a pompa per generare un cambiamento di temperatura modulata in un campione e su un laser a sonda per monitorare la risposta termica locale del campione. Le proprietà termiche del campione sono determinate adattando un modello termico alla risposta della termoriflettanza del campione. Questo articolo presenta protocolli dettagliati per implementare la tecnica e condurre misurazioni locali della conducibilità termica locale di un substrato. Particolare attenzione è dedicata al discutere come la misurazione sia influenzata dai parametri della sorgente laser, dalle sorgenti di errore in una misurazione FDTR e alla quantificazione dell'incertezza della misurazione. Infine, discutiamo un esperimento di imaging a conduttività termica condotto vicino a un'unica interfaccia verticale tra due substrati di silicio monocristallino attivati superficialmente attivati. La conducibilità termica all'interfaccia è soppressa del 3% rispetto al valore globale nei singoli cristalli adiacenti. La capacità di sondare le proprietà termiche dell'interfaccia con la tecnica FDTR può facilitare studi locali del flusso di calore attorno ai confini dei singoli grani, in particolare nei materiali termoelettrici, dove possono essere regolati per ottimizzare le prestazioni dei dispositivi termoelettrici.

Introduzione

Gli strumenti di metrologia termica e caratterizzazione sono fondamentali per la progettazione e l'ottimizzazione di materiali avanzati utilizzati, ad esempio, in generatori termoelettrici e applicazioni di^{refrigerazione} ^1,2. I materiali con bassa conducibilità termica e alta conducibilità elettrica sono generalmente preferiti in queste applicazioni per mantenere un ampio gradiente di temperatura tra giunzioni calde e fredde e per una conversione efficiente dell'energia termica-elettrica. Comprendere queste proprietà disparate nei materiali cristallini in massa è una sfida. Tu....