熱特性測定のための周波数領域熱反射法

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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方法論記事

熱特性測定のための周波数領域熱反射法

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DOI：

10.3791/68908

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2025年12月5日

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

この記事について

サマリー

本記事では、局所的な非破壊熱特性評価およびイメージングのための周波数領域熱反射(FDTR)技術を紹介します。

要約

周波数領域熱反射法(FDTR)は、ミクロスケールの空間分解能を持つ熱特性評価および画像化のための非破壊手法です。この技術は、試料内の温度変化を変調させるポンプレーザーと、試料の局所的な熱応答を監視するプローブレーザーに依存しています。試料の熱的性質は、試料の熱反射応答に熱モデルを適合させることで決定されます。本記事では、この技術を実装し、基板の局所熱伝導率を局所的に測定するための詳細なプロトコルを紹介します。レーザー光源パラメータ、FDTR測定における誤差源、測定不確実性の定量化が測定にどのように影響するかについて特に注目しています。最後に、表面活性化された単結晶シリコン基板間の単一の垂直界面付近で実施された熱伝導イメージング実験について論じます。界面での熱伝導率は、隣接する単結晶のバルク値に比べて3%抑制されます。FDTR技術による界面熱特性のプローブは、特に熱電材料において個々の粒界周辺の熱流の局所研究を促進し、熱電デバイスの性能最適化に調整できる可能性があります。

概要

熱計測および特性評価ツールは、例えば熱電発電機や^{冷凍用途で使用される}先端材料の設計と最適化に不可欠です。これらの用途では、熱接合と冷接接合の間に大きな温度勾配を維持し、効率的な熱エネルギーから電気エネルギーへの変換のために、熱伝導率が低く電気伝導率の高い材料が一般的に好まれます。バルク結晶材料におけるこれらの異なる性質を把握することは困難です。しかし、点や界面欠陥(晶界など)を導入した微細構造工学は、高性能熱^電材料の設計において有望な方向性です。粒界(GB)制御熱伝導率研究の大半は、粒径^{を重要な構造}特性として主に焦点を当て^{ており、GB}の局所的な熱環境を探る空間分解能を欠いています。マイクロおよびナノスケールの熱計測は、個々のGB付近で熱がどのように流れるかの局所的な情報を提供できます。例えば、Iottaらによる最近のマイクロスケール熱画像測定では、多結晶スズテルリド(SnTe)お....