Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Technika termorefleksji w dziedzinie częstotliwości do pomiarów właściwości termicznych

2K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/68908

⸱

5 grudnia 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

W tym artykule

Podsumowanie

W tym artykule przedstawiono technikę termorefleksji w dziedzinie częstotliwości (FDTR) do lokalnej niedestrukcyjnej charakterystyki termicznej i obrazowania.

Streszczenie

Technika termorefleksji w dziedzinie częstotliwości (FDTR) jest metodą niedestrukcyjną do charakteryzacji termicznej i obrazowania z rozdzielczością przestrzenną w skali mikro. Technika ta opiera się na laserze pompowym do generowania modulowanej zmiany temperatury w próbce oraz na laserze sondowym monitorującym lokalną odpowiedź termiczną próbki. Właściwości termiczne próbki określa się poprzez dopasowanie modelu termicznego do odpowiedzi termorefleksyjnej próbki. W tym artykule przedstawiono szczegółowe protokoły wdrażania tej techniki oraz lokalnych pomiarów lokalnej przewodności cieplnej podłoża. Szczególną uwagę poświęcono omówieniu, jak pomiar jest wpływany przez parametry źródła lasera, źródła błędu w pomiarze FDTR oraz ilościowe określenie niepewności pomiaru. Na koniec omawiamy eksperyment obrazowania przewodności cieplnej przeprowadzony w pobliżu pojedynczej pionowej granicy między dwoma powierzchniowo aktywowanymi substratami z pojedynczego kryształu krzemowego. Przewodność cieplna na styku jest obniżona o 3% w porównaniu do wartości objętej w sąsiadujących pojedynczych kryształach. Możliwość badania właściwości termicznych na styku z techniką FDTR może ułatwić lokalne badania przepływu ciepła wokół poszczególnych granic ziaren, szczególnie w materiałach termoelektrycznych, gdzie można je dostosować do optymalizacji wydajności urządzeń termoelektrycznych.

Wprowadzenie

Narzędzia metrologii termicznej i charakteryzacji są kluczowe dla projektowania i optymalizacji zaawansowanych materiałów wykorzystywanych na przykład w generatorach termoelektrycznych i zastosowaniach chłodniczych 1,2. W tych zastosowaniach zazwyczaj preferuje się materiały o niskiej przewodności cieplnej i wysokiej przewodności elektrycznej w celu utrzymania dużego gradientu temperatury między złączami gorącymi a zimnymi oraz efektywnej konwersji energii termicznej na elektryczną. Realizacja tych rozbieżnych właściwości w masowych materiałach krystalicznych jest wyzwaniem. Jednak inżynieria mikrostruktur poprzez wprowadzenie defektów punktowych i międzypowierzchniowych (takich jak granice ziaren) jest obiecującym kierunkiem projektowania wysokowydajnych materiałów termoelektrycznych1. Większość badań nad przewodnością cieplną kontrolowaną przez granicę ziaren (GB) koncentrowała się głównie na wielkości ziaren jako podstawowej właściwości strukturalnej ważnej 2,3,4,5, ponieważ nie mają one wystarczającej rozdzielczości przestrzennej do badania lokalnego środowiska termicznego GB. Metrologia termiczna na poziomie mikro- i nano- może dostarczyć lokalnych informacji o tym, jak ciepło przepływa w pobliżu poszczególnych GB. Na przykład najnowsze mikroskopowe pomiary termowizyjne przeprowadzone przez Isottę i in.6,7 wykazały, że przewodność cieplna objętości (κ) jest lokalnie tłumiona w pobliżu pojedynczych GB w polikrystalicznym tellurku cyny (SnTe) i krzemie. Zaobserwowane tłumienie κ było skorelowane z różnymi właściwościami GB, w tym kątem nieorientacji, chropowatością płaszczyzny GB, gęstością nanotwinning oraz porowatością. Tego typu pomiary mogą ułatwić dostrajanie masowego κ, dostarczając lokalnych informacji o zależności mikrostruktura-κ. W miarę jak zainteresowanie lokalnymi efektami defektów na κ rośnie, zarówno podejścia obliczeniowe8, jak ieksperymentalne 9,10, które dostarczają wglądu w te wkłady, będą coraz bardziej istotne.

Metody termorefleksji optycznej11, 12, 13, 14 i 15 są szeroko stosowane w nieniszczącej metrologii termicznej ciał stałych objętości, cienkowarstwowych superkratownic oraz interfejsów. Metody te wykorzystują ultraszybkie lub lasery modulowane intensywnością do lokalnego podgrzewania próbki i badania jej odpowiedzi termicznej z wysoką częstotliwością lub rozdzielczością czasową16, co czyni je idealnymi do charakteryzowania właściwości termofizycznych. Techniki termorefleksji, w tym termorefleksjans w dziedzinie czasowej (TDTR)13,16 oraz termorefleksjans w dziedzinie częstotliwości (FDTR)17,18, są najczęstszymi metodami metrologii termicznej o wysokiej rozdzielczości. FDTR wykorzystuje skoncentrowany laser pompowy modulowany intensywnością do generowania lokalnego, okresowego źródła ciepła w próbce. Powstała zmiana temperatury próbki jest przekształcana w sygnał termorefleksji zależny od częstotliwości modulacji, który jest rejestrowany wzmacniaczem lock-in. Aby ułatwić pomiar, na próbkę nakłada się cienką warstwę przetwornika o dużym współczynniku termorefleksji19 na długości fali lasera sondy. Technika TDTR natomiast wykorzystuje ultraszybkie lasery pompowe i sondowe, a przejściowy sygnał termorefleksji warstwy przetwornika jest monitorowany z różnymi opóźnieniami czasowymi między laserami pompy i sondy, z rozdzielczością pikosekundową.

Techniki termorefleksji oferują mikroskopową rozdzielczość przestrzenną boczną do badania właściwości termofizycznych, a pomiary można skonfigurować tak, aby charakteryzować zarówno izotropowe, jak i anizotropowe κ materiałów. Niedawno Sood i in.10 zastosowali technikę TDTR do mapowania lokalnych niejednorodności κ w polikrystalicznym diamencie dopingowanym borem, które były skorelowane z obrazowaniem dyfrakcyjnym elektronowo-wstecznie. W ich pomiarach regiony w próbie z drobnymi ziarnami miały niższe κ w porównaniu do wartości objętościowej. Jednak ich pomiary nie wykazały, czy tłumienie κ wynikało z małych ziaren, czy z rezystancyjnych GB. Po tych badaniach Isotta i in. wykazali, że lokalne tłumienie κ wokół poszczególnych GB, obserwowane na mikroskalowych mapach FDTR SnTe, materiału termoelektrycznego o średniej temperaturze, jest bezpośrednio skorelowane z kątem nieorientacji GB6, który do tej pory był teoretycznie przewidywany tylko 20,21,22,23 lub rzadko mierzony w fabrycznych GB24. W porównaniu z podejściem TDTR stosowanym przez Sooda i in., FDTR jest tańszy i pozwala na pomiar wielu właściwości, takich jak κ podłoża i pojemność cieplna przy stałym ciśnieniu (C) oraz przewodność cieplna na styku film-podłoże, w jednym pomiarze obejmującym szeroki zakres częstotliwości25. Dwuwymiarowe mapy faz termorefleksancji uzyskane przy wielu częstotliwościach modulacji lasera pompowego o najwyższej czułości na właściwości termiczne próbki są przekształcane w obraz κ.

Faza termorefleksji reprezentuje przesunięcie fazowe między okresowymi oscylacjami temperatury na powierzchni warstwy przetwornika a modulowanym źródłem ciepła wytwarzanym przez absorbowany laser pompy. W standardowym podejściu FDTR lasery pompy i sondy są skupione w tym samym punkcie na powierzchni próbki, a faza termorefleksji w tym punkcie jest mierzona wzmacniaczem lock-in przy różnych częstotliwościach modulacji lasera pompowego. Do zmierzonych danych dołączany jest warstwowy model przewodzenia ciepła, aby określić właściwości termiczne próbki (tj. κ, C oraz przewodność między przetwornikiem a próbką)14. Warianty standardowego podejścia FDTR pozwalają na poprawę czułości zmierzonej fazy termorefleksji na anizotropowy κ próbki. Należą do nich użycie (i) przesuniętych przestrzennie laserów pomp i sond26, (ii) eliptycznych źródeł ciepła generowanych laserowo w kształcie27 lub linii28 oraz (iii) pomiarów FDTR z użyciem zmiennych rozmiarów plam laserowych pomp29. Poza termiczną charakterystyką właściwości objętości, technika FDTR może być użyta do charakteryzacji właściwości termicznych interfejsu 30,31,32,33,34,35, ponieważ głębokość termicznego przenikania źródła ciepła, zdefiniowana jako , figure-introduction-1 zależy od częstotliwości modulacji lasera pompowego (f). Interfejs powoduje opór termiczny spowodowany transmisją i odbiciem nośników ciepła (tj. elektronów i fononów)36. Rezystancja ta jest w eksperymentach FDTR charakteryzowana jako przewodność termiczna na interfejsie. W literaturze przedstawiono pomiary FDTR przewodności cieplnej interfejsu samoorganizujących się monowarstw33,35, interfejsów metal-podłoże37,38 oraz cienkiejwarstwy interfejsowej s 39. Wreszcie, pomiary FDTR z cienkimi warstwami przetworników magnetycznych niedawno wykazały pozwalające na charakteryzację anizotropowego κ dwuwymiarowych materiałów40.

Niniejszy artykuł szczegółowo opisuje procedury stosowane w pomiarze FDTR, który wykorzystuje koncentrowane koncentrowane lasery pompy i sondy koncentrowane osiowo na powierzchni przetwornika. Przedstawione są reprezentatywne pomiary lokalnego κ masowego substratu krzemowego, a niepewności pomiaru są kwantyfikowane. Na koniec podajemy prosty przykład, który ilustruje obrazowanie FDTR lokalnego κ w pobliżu pojedynczego pionowego interfejsu między dwoma (100) substratami z jednokryształowego krzemu połączonymi przez powierzchniowo aktywowane wiązanie (SAB).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Konfiguracja systemu FDTR

UWAGA: Schematyczny diagram układu eksperymentalnego przedstawiono na Rysunku 1, a powiązane komercyjnie dostępne komponenty wymienione są w Tabeli Materiałów. Poniższe kroki opisują instalację laserów pompy i sondy oraz systemu akwizycji sygnału.

  1. Rozpocznij od instalacji niskomocowego (1 mW) elektroabsorpcyjnego lasera diodowego modulowanego intensywnością (EML) o podstawowej długości fali 1550 nm. Zamontuj EML na mocowaniu diody motylkowej zintegrowanej z diodą laserową (LDC). Zapewnij dobry kontakt termiczny między EML a mocowaniem motylkowym, używając pasty przewodzącej ciepło (na przykład pasty srebrnej), tak aby chłodnica termoelektryczna (TEC) w EML skutecznie utrzymywała temperaturę lasera diodowego. Ustaw odpowiedni prąd diody laserowej w LDC, aby kontrolować moc wyjściową EML. Włącz regulator TEC w LDC i pozwól do 10 minut na ustabilizowanie temperatury EML na odpowiedniej wartości, zanim włączę zasilanie prądem diody LDC do EML.
    UWAGA: To jest laser pompy. Długość fali 1550 nm jest silnie pochłaniana przez przetwornik złota.
  2. Aby modulować natężenie lasera diodowego, napędz EML sygnałem sinusoidalnym (RF) o napięciu polaryzowanym sinusoidalnym częstotliwości radiowym (RF), o częstotliwościach od 100 kHz do 80 MHz. Rozdziel napięcie wyjściowe z generatora sygnału RF i wyślij połowę sygnału do portu referencyjnego wzmacniacza lock-in. Drugą połowę sygnału należy wysłać do półkątowego złącza wraz z osobnym napięciem polaryzacyjnym i podłączyć port wyjściowy z półpolaryzacyjnym do EML.
    UWAGA: Użycie półkątowego T-Tee może być opcjonalne w zależności od specyfikacji lasera diodowego; głównym celem tego układu jest modulacja intensywności wyjściowej EML.
  3. Aby wzmocnić moc EML, należy zaprowadzić wyjście światłowodowe z EML do fibrowodowatego wzmacniacza światłowodu (EDFA) o mocy 5 W. Wyjściem EDFA jest laser pompy dla konfiguracji FDTR. Steruj mocą lasera pompy z EDFA, aby osiągnąć pożądaną intensywność na powierzchni próbki.
  4. Kolimuj światło wyjściowe z włókna EDFA za pomocą odpowiedniej soczewki. Aby zapobiec odbiciom wstecznym z różnych optyki swobodnej w układzie FDTR do EDFA, skieruj światło przesyłane z kolimatora do izolatora optycznego Faradaya.
  5. Skieruj wiązkę wyjściową z izolatora na powierzchnię próbki za pomocą optycznego systemu obrazowania 4-f, składającego się z lustra skanującego gimbal, dwóch soczewek przekaźnikowych oraz obiektywu mikroskopowego. Ponieważ długość fali lasera pompowego znajduje się w obszarze podczerwieni widma elektromagnetycznego i w związku z tym laser nie jest widoczny, użyj karty fluorescencyjnej, aby wyrównać laser pompy przez system obrazowania 4-f i koliniowo z laserem sondowym wzdłuż osi optycznej mikrostołu.
    UWAGA: System obrazowania 4f obrazuje środek lustra skanującego do tylnej apertury obiektywu. Pozwala to na skanowanie skupionego lasera pompowego przesyłanego przez obiektyw mikroskopu na powierzchni próbki, zmieniając kąt wejścia światła do tylnej apertury obiektywu bez translowania wiązki wejściowej na aperturę mikroskopu.
  6. Następnie zamontuj laser sondowy – który jest laserem z diodą ciągłą z nieodymowym domieszką neodymu (Nd-YAG) z falą ciągłą (Nd-YAG), na pasywnie chłodzonym mocowaniu. Maksymalna moc sondy i długość fali to odpowiednio 50 mW i 532 nm. Podobnie jak w przypadku lasera pompowego, wyjście lasera sondy przez optyczny izolator Faradaya. Również użyj systemu dwóch soczewek do regulacji kolimowanej wiązki lasera wychodzącego z izolatora.
  7. Umieść płytę półfalową na ścieżce wiązki lasera sondy, a następnie polaryzacyjny rozdzielacz wiązki (PBS); Konfiguracja ta pełni funkcję zmiennego tłumika, który pozwala użytkownikowi kontrolować moc optyczną dostarczaną do próbki. Skieruj wyjście tłumika zmiennego przez płytkę ćwierćfalową, zanim światło dotrze do obiektywu mikroskopu. Obróć szybką oś tej płyty ćwierćfalowej o 45 stopni względem kierunku polaryzacji lasera sondy, co skutecznie obraca polaryzację światła o 90 stopni podczas dwóch przejść przez optykę.
    UWAGA: Zapewnia to, że odbite światło sondy od powierzchni próbki jest przekierowywane do fotodetektora o dużej prędkości, a nie z powrotem do lasera diodowego.
  8. Dostarcz laser sondy do środka obiektywu mikroskopu współosiowo z laserem pompy. Ustawić lasery pompy i sondy wzdłuż osi optycznej układu mikro-bench, aby zapewnić, że obie wiązki pozostaną współosiowe przechodzące przez obiektyw.
    UWAGA: Prawidłowe ustawienie jest kluczowe, aby zapewnić, że lasery pompy i sondy pozostają wzdłuż osi optycznej mikrostołu i są w stanie kolinearnym między ogniskowymi laserami pompy i sondy.

figure-protocol-1
Rysunek 1: Schemat eksperymentalnego układu FDTR.Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

  1. Aby odczytać sygnał termorefleksyjny dostarczany do fotodetektora przez laser sondy, należy podać wyjście fotodetektora do wzmacniacza lock-in. Upewnij się, że charakterystyka częstotliwościowa fotodetektora i wzmacniacza lock-in pozwala na pomiar sygnałów modulowanych na częstotliwości modulacji lasera pompowego.
  2. Nagraj moc lasera pompy w miejscu pobrania próbki. Umieść miernik mocy pod obiektywem mikroskopowym i odczytuj poziom mocy lasera pompy, gdy laser sondy jest zablokowany.
  3. Aby obrazować powierzchnię próbki, należy skierować odbite światło z próbki przez soczewkę rury do kamery CCD, gdzie powstaje obraz powierzchni próbki. Umieść zdejmowane lustro dichroiczne (zimne) między mikroskopem a soczewką lampy, aby skierować odbite światło z powierzchni próbki do kamery CCD.
    UWAGA: Zimne lustro należy zdjąć podczas pomiarów – jest używane tylko podczas obserwacji powierzchni próbki kamerą CCD. Poniższe kroki wymagają zrozumienia procesu analizy sygnałów. Faza modulowanego termorefleksji, czyli zależna od temperatury intensywności sondy zależnej od temperatury próbki, jest kluczowym sygnałem zainteresowanym w pomiarze FDTR. Wzmacniacz lock-in rejestruje amplitudę i fazę sygnału termorefleksyjnego. Jednak inne niepożądane źródła sygnału są mieszane z fazą termorefleksji. Konkretnie, sygnał fazowy ((φ próbki) obejmuje kombinację fazy termorefleksji próbki (φTR), przesunięcia fazowego związanego z odległością optycznej ścieżki (OPD) pokonaną przez laser sondowy od powierzchni próbki do fotodetektora (φOPD) oraz dodatkowych wkładów szumu fazowego wynikających z elektroniki detekcyjnej (φszum). Aby wyeliminować wkład OPD i szumu do wykrytej fazy, należy zaimplementować wtórną ścieżkę wiązki jako odniesienie, która po wykryciu zawiera zarównoszum φ OPD, jak i φ, ale nie φTR. W ten sposób faza termorefleksji może być wyodrębniona z sygnału sondy (φpróbki) poprzez odejmowanie fazy odniesienia: φTR = φpróbka - φref. Koncepcja ta jest zilustrowana na rysunku 2A, gdzie zarównopróbka φ, jak iφ ref są mierzone względem sygnału RF dostarczanego przez generator sygnału RF do wzmacniacza lock-in. Przykład tego kroku odejmowania fazy z rzeczywistymi danymi fazowymi przedstawiono na Rysunku 2B. Przy budowie ścieżki wiązki referencyjnej należy uwzględnić trzy kluczowe kroki: (1) dopasować odległość optycznej ścieżki do odległości pokonanej przez laser sondowy od powierzchni próbki do fotodetektora, (2) wykryć wiązkę referencyjną używając tego samego fotodetektora co sygnał próbki oraz (3) modulować intensywność wiązki referencyjnej za pomocą tego samego sygnału RF, który moduluje laser pompowy. Zauważamy, że fotodetektor nie reaguje na długość fali lasera pompowego, a odbita wiązka pompy nie dociera do widzialnego fotodetektora. W związku z tym odbite światło pompy od powierzchni próbki nie wpływa na fazę termorefleksyjne.

figure-protocol-2
Rysunek 2: Faza termorefleksji obliczana przez odejmowanie fazy sygnału referencyjnego od fazy sygnału sondy. Te przesunięcia fazowe są koncepcyjnie przedstawione w (A), a przykład z rzeczywistymi danymi pomiarowymi punktowymi pokazano w (B). Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

  1. Oddziel część belki pompy, aby wygenerować wiązkę referencyjną, spełniając tym samym wymagania (3). Prosimy o odniesienie się do powyższej NOTY. Robi się to, instalując półfalową płytę i PBS jako zmienny tłumik (zgodnie z procedurą opisaną w kroku 1.6) na ścieżce wiązki, gdzie światło odbite przez PBS jest wykorzystywane jako wiązka referencyjna.
  2. Ponieważ laser pompowy (1550 nm) nie może być wykryty przez detektor światła widzialnego, który wykrywa laser sondy (532 nm), następnie przepuszcz wiązkę referencyjną przez okresowo biegunowy kryształ drugiej harmonicznej generacji niobianu litu (PPLN) SHG, aby uzyskać wiązkę o długości 775 nm. Spełnia to wymóg (2).
  3. Zbuduj ścieżkę optyczną od wyjścia kryształu PPLN (punkt generowania fali 775 nm) do fotodetektora tak, aby miała taką samą długość jak odległość optyczna pokonana przez laser sondowy między powierzchnią próbki a fotodetektorem. Zainstaluj optyczną linię opóźnienia w optycznej ścieżce wiązki sondy, aby precyzyjnie sterować OPD lasera odbitej sondy (532 nm) względem lasera referencyjnego (775 nm). Użyj próbki kalibracyjnej, takiej jak cienka złota warstwa na podłożu krzemowym, o znanych właściwościach, i przesuń linię opóźnienia, aby dopasowała się do zmierzonej fazy termorefleksji w zakresie częstotliwości interesującym dla obliczeń modeli termicznych.
  4. Upewnij się, że temperatura kryształu PPLN jest ustawiona tak, aby optymalizować generowaną moc wyjściową, regulując ustawienie regulatora PID kryształu aż do maksymalizacji amplitudy sygnału fotodetektora.

2. Przygotowanie próbki

UWAGA: Aby przeprowadzić udany eksperyment FDTR, powierzchnia próbki musi zostać wypolerowana do lustrzanego wykończenia, aby zmniejszyć rozproszone odbicia i wszelkie zmiany wysokości mogące powodować defokusację lasera lub zmiany lustralności odbitej wiązki sondy podczas skanowania powierzchni. Po tym punkcie warstwa przetwornika metalowego musi zostać nałożona i scharakteryzowana.

  1. Poleruj próbkę za pomocą zawiesin o stopniowo mniejszych rozmiarach cząstek, aż uzyskamy lustrzane wykończenie. Na przykład użyj serii diamentowych zawieszeń o rozmiarach cząstek od 5 μm do 250 nm. Wykończysz zawiesiną z krzemionki koloidalnej, polerując aż do uzyskania lustrzanego wykończenia.
    UWAGA: Czas trwania każdego etapu polerowania oraz rozmiar cząstek zależy od próbki.
  2. Na koniec czyszczenia przetłucaj powierzchnię jonami przez 10 minut.
  3. Zmierz chropowatość powierzchni o średniej wartości za pomocą mikroskopii siły atomowej (AFM); Chropowatość RMS powinna być poniżej 20 nm.
  4. Po polerowaniu nałóż warstwę metalowego przetwornika na powierzchnię próbki. Dla lasera sondowego o średnicy 532 nm należy nałożyć cienką warstwę złotej warstwy jako warstwę przetwornika ze względu na jej duży współczynnik termorefleksji19. Aby uzyskać najgładszą powierzchnię przetwornika, użyj parownika wiązki elektronów (e-beam), aby pokryć równomierną warstwę złota na próbce o grubości większej niż 40 nm. Do pomiarów grubości przetwornika mikroskopią siłową (AFM) należy przykleić na powierzchnię próbki kawałek cienkiego szkła, aby służyć jako maska cienia, a następnie włożenie próbki do parownika wiązki elektronowej. Następnie dokończ depozycję złota.
    UWAGA: Przetwornik musi być grubszy niż optyczna głębokość powłoki złota (≈20 nm dla światła 532 nm), ale idealnie grubszy niż dwukrotność optycznej głębi powłoki, aby uzyskać wystarczająco silny sygnał odbity.
  5. Zmierz grubość warstwy złota metodą ultradźwiękową pikosekundową41 (rysunek 3A), AFM lub inną techniką o odpowiedniej rozdzielczości. Jeśli używasz AFM, zeskanuj sondę AFM nad ostrą złotą krawędzią generowaną przez maskę cienienia; Ta wysokość stopnia to grubość złota.
  6. Jeśli przewodność cieplna złota nie jest znana, przeprowadź pomiar van der Pauw42 na warstwie złota naniesionej na izolujące podłoże, takie jak szkło. Alternatywnie, można przeprowadzić pomiar FDTR warstwy złota naniesionej na standardowym podłożu o znanej przewodności cieplnej.
    UWAGA: Przewodność cieplna złota jest znana z niewielkich zmian w zależności od grubości warstwy43.

3. Układ pomiarowy

  1. Przekręć przełącznik zasilania lasera diodowego 532 nm na pozycję włączoną, aby aktywować zasilanie. Czekaj, aż zapali się kontrolka włączająca, wtedy temperatura kryształu lasera się ustabilizuje, i przełącz przełącznik lasera, aby zainicjować emisję lasera o średnicy 532 nm. Do wykrywania sygnału termorefleksji wystarczy sygnał lasera wejściowego o mocy 20-30 mW. Użyj miernika mocy, aby upewnić się, że moc lasera mieści się w tym zakresie przed dalszą pracą.
  2. Włącz regulator diod lasera pompowego i włącz chłodzenie termoelektryczne, ustawiając odpowiednią wartość rezystancji zgodnie ze specyfikacją lasera diodowego (np. 10 kΩ). Gdy temperatura się ustabilizuje, włącz prąd laserowy.
  3. Włącz EDFA i ustaw moc wyjściową na pożądaną wartość (np. 1 W).
    UWAGA: Wartość tę należy wybrać na podstawie dyfuzyjności termicznej i temperatury topnienia materiału próbki. Należy pamiętać, że moc dostarczana do próbki jest mniejsza niż moc ustawiona w wzmacniaczu światłowodu (patrz krok 1.10, aby zmierzyć moc w miejscu próbki). Ilość pochłoniętej mocy można oszacować na podstawie długości fali pompy i absorbancji przetwornika.
  4. Ustaw częstotliwość RF, amplitudę RF i napięcie polaryzacyjne na generatorze sygnału, aby modulować intensywność lasera pompowego.
  5. Włącz wzmacniacz lock-in i fotodetektor. Upewnij się, że port referencyjny jest podłączony do wyjścia generatora sygnału RF, a port wejściowy sygnału do fotodetektora.
  6. Włącz regulator temperatury dla kryształu PPLN i włącz sterowanie PID.
  7. Zamontuj próbkę na wieloosiowej precyzyjnej scenie z mikrometrowym pokrętłem do regulacji wysokości sceny (pozycja Z). Przyklej próbkę do etapu za pomocą cienkiej, dwustronnej taśmy, aby zapobiec jej przesuwaniu się podczas pomiaru.
  8. Skup lasery na powierzchni próbki. Zacznij od zamontowania zimnego lustra nad obiektywem i obserwacji powierzchni próbki przez kamerę CCD (patrz krok 1.10). Reguluj pokrętło Z na scenie, aż powierzchnia próbki wyostrzy się na żywym podglądzie z kamery. Kontynuuj ostrość, aż plama laserowa osiągnie minimalny rozmiar. Po zakończeniu zdejmij zimne lustro.
    UWAGA: Celem tego kroku jest ustawienie powierzchni próbki w pożądanej płaszczyźnie ogniskowej. Na przykład płaszczyzna ogniskowa sondy jest wyznaczana, skupiając laser sondy na najmniejszym rozmiarze plamki na powierzchni próbki.
  9. Następnie upewnij się, że lasery pompy i sondy są skupione na tym samym punkcie próbki. Korzystając z odpowiedniego wirtualnego instrumentu LabVIEW (VI), reguluj kąty nachylenia lustra sterującego Gimbalem (patrz krok 1.5), aż laser pompy zostanie wyrównany wzdłuż osi optycznej lasera sondy. Szukaj maksymalnej amplitudy termorefleksji, aby wiedzieć, kiedy lasery pokrywają się ze sobą na powierzchni próbki.

4. Pomiar rozmiaru punktowego

UWAGA: Pomiary termorefleksji właściwości termicznych wykazują skrajną czułość na mierzony rozmiar plamki17. Poniżej przedstawiono procedurę przeprowadzenia pomiaru wielkości punktu zarówno pompy, jak i lasera sondowego. Ogólne kroki dotyczące obu laserów przedstawiono w fazach 4.1 - 4.6, a szczególne uwagi dotyczące poszczególnych laserów pomp i sond przedstawiono w krokach 4.7 - 4.10.

  1. Zdobądź próbkę "ostrza noża", składającą się ze wzorów złota naniesionych na szklance.
    UWAGA: Standardowe próbki można kupić lub wykonać za pomocą litografii foto- lub wiązki elektronów, aby zapewnić odpowiednio ostry interfejs.
  2. Zamontuj próbkę na etapie translacji wieloosiowej (patrz krok 3.7).
  3. Umieść próbkę tak, aby plama laserowa była blisko pożądanej złotej krawędzi, a krawędź była ustawiona prostopadle do pożądanego kierunku skanowania (x lub y). Przesuwaj próbkę ręcznie lub za pomocą osobnego dużego obszarowego etapu translacji, a następnie precyzyjnie dostosuj pozycję za pomocą pokręteł na scenie. Nie używaj tych pokręteł do regulacji dużych obszarów, ponieważ ważne jest, aby oś etapu translacji były wycentrowane podczas pomiaru skanowania.
    UWAGA: Jeśli pozycja etapu jest przesunięta podczas pomiaru, może dojść do sprzężenia między wieloma osiami, co przesuwa pozycję próbki i potencjalnie przesuwa próbkę poza płaszczyznę ogniskową.
  4. Wykonaj procedury inicjalizacji, ostrzenia i wyrównania lasera systemu FDTR, zgodnie z szczegółami w sekcji Konfiguracja pomiarów protokołu (kroki 3.1 do 3.10).
  5. Włącz kontroler etapu translacji, wyzeruj każdy aktuator sterowania ruchem i wpisz numer identyfikacyjny kontrolera do LabVIEW VI.
  6. W VI wpisz pożądaną długość skanowania w kierunku podstawowym (oznaczoną jako "A") oraz liczbę żądanych skanów liniowych w kierunku "B". Wprowadź rozmiar kroku w każdym kierunku.
    UWAGA: Typowe skanowanie liniowe może obejmować długość 20-100 μm z krokiem 0,2-1 μm, w zależności od wielkości plamki laserowej.
  7. Zeskanuj interfejs krawędzi noża i nagraj sygnał intensywności światła odbitego. Przetworz dane za pomocą kodu "SpotSizeFit.py", aby obliczyć promień plamki laserowej. Kod jest zawarty w materiałach wspierających.
    UWAGA: Można wykryć zarówno światło odbite, jak i przepuszczone, w zależności od tego, co jest wygodniejsze dla danego układu.
  8. Powtórz kroki 4.3-4.7, skanując ostrą złotą krawędź w kierunku prostopadle do poprzedniego skanu. Oblicz średni promień plamki i odchylenie standardowe między prostopadłymi kierunkami skanowania.
    UWAGA: Plamka laserowa powinna mieć mimośrodyczność zbliżoną do 1. Ponadto, biorąc pod uwagę długości fal każdego lasera oraz schemat modulacji opisany w krokach 1.1–1.15, dotyczące pomiarów każdego lasera dotyczą dodatkowych kwestii: (1) Laser pompowy (1550 nm) wymaga detektora podczerwieni (IR), ponieważ nie może być wykrywany za pomocą detektora światła widzialnego. (2) Generator sygnału RF nie moduluje bezpośrednio lasera sondowego, dlatego wymaga osobnej modulacji, którą można osiągnąć poprzez mechaniczne cięcie. Jednak wprowadza to trzecie zastanowienie: (3) Mechaniczne choppery nie działają na częstotliwościach radiowych, więc sygnał przeciętej sondy nie może być przechwycony przez ten sam wzmacniacz lock-in co sygnały modulowane RF. (Na przykład wzmacniacz blokujący SR844 ma niskoczęstotliwościowe odcięcie na 20 kHz.) Te trzy kwestie zostaną poruszone w kolejnych etapach.
  9. Zainstaluj fotodetektor IR i skieruj część wiązki pompy odbijająca się od próbki do tego detektora. Na przykład część odbitej wiązki wychodzi z PBS zainstalowanego w kroku 1.9 i może być skierowana do fotodetektora IR.
  10. Zamontuj mechaniczny chopper na ścieżce wiązki sondy, zamontowany na pianie tłumiącej drgania.
  11. Przed rozpoczęciem pomiaru wielkości punktu pompy, najpierw podłącz sygnał RF do portu referencyjnego wzmacniacza lock-in SR844, a fotodetektor IR do portu wejściowego wzmacniacza lock-in SR844.
  12. Przed rozpoczęciem pomiaru wielkości punktu sondy, najpierw podłącz wyjście sterującego mechanicznego choppera do portu odniesienia wzmacniacza lock-in wzmacniacza SR830, a fotodetektor światła widzialnego do portu wejściowego wzmacniacza lock-in wzmacniacza SR830.
  13. Wykonaj każdy pomiar wielkości punktu (pompa lub sonda) z wymaganym "odczytem" VI dla danego wzmacniacza lock-in.

5. Pomiary punktowe

UWAGA: Pomiary punktowe służą do pomiaru lokalnych właściwości termicznych w jednym punkcie na powierzchni próbki. Zazwyczaj mierzy się przewodność cieplną materiału podłoża oraz przewodność cieplną między przetwornikiem złota a podłożem. Właściwości te są traktowane jako średni pomiar na obszarze obejmującym efektywny rozmiar punktu laserów pompy i sondy13,17.

  1. Zamontuj próbkę na etapie translacji wieloosiowej (patrz krok 3.7).
  2. Oglądaj próbkę przez kamerę CCD i dostosowuj jej umiejscowienie, aby upewnić się, że laser sondy jest odbity w czystym miejscu wolnym od brudu i innych zanieczyszczeń.
  3. Wybierz poziom mocy pompy i przekończ procedurę skupienia oraz wyrównania opisaną w krokach 3.1 do 3.10.
  4. Zdecyduj o zakresie częstotliwości pomiaru punktowego. Upewnij się, że model dyfuzji termicznej jest czuły i odpowiedni dla zmierzonych właściwości w tym zakresie częstotliwości.
  5. Wybierz odpowiedni poziom czułości wzmacniacza lock-in dla zakresu częstotliwości pomiaru. Zaprogramuj punktowy pomiar LabVIEW VI z poziomem czułości lock-in, zakresem częstotliwości oraz łączną liczbą częstotliwości do pomiaru. W razie potrzeby zaprogramuj wiele stopni o różnych poziomach czułości, aby zmaksymalizować stosunek sygnału do szumu (SNR).
  6. Uruchom pomiar punktowy i zapisz dane do pliku .txt. Zapisz dane fazowe ze wzmacniacza lock-in trzy razy: dla (1) sygnału lasera sondy, (2) sygnału lasera referencyjnego oraz (3) szumu. Zawsze blokuj wiązkę, która nie jest mierzona, i blokuj zarówno wiązki sondy, jak i referencyjne, aby rejestrować dane szumowe.
  7. Aby uwzględnić hałas instrumentów lub środowiska, powtórz kroki 5.2-5.5 i uśrednij dopasowane wyniki.

6. Pomiary obrazów

UWAGA: Obrazy właściwości termicznych to dwuwymiarowe mapy zmierzonych właściwości termicznych na określonym obszarze, tworzone przez skanowanie laserów na powierzchni próbki i zebranie tablicy pomiarów punktowych.

  1. Rozpocznij od zamontowania próbki na wieloosiowym stopniu translacji (patrz krok 3.7) i ustawij plamkę laserową nad obszarem pomiarowym, monitorując kamerę CCD. Sprawdź, czy obszar jest wolny od brudu i nierówności w chropowatości.
    UWAGA: Unikaj przesuwania osi translacyjnych stopnia silnika krokowego do ich skrajności, aby uniknąć sprzężenia z osią Z. Zobacz krok 4.3.
  2. Zaprogramuj obszar pomiaru w obrazowym LabVIEW VI. Przeprowadź szybkie skanowanie obszaru pomiarowego (np. trzy kroki w obu kierunkach x i y) podczas monitorowania transmisji na żywo z kamery CCD i zanotuj dokładny obszar pomiaru.
  3. Wybierz poziom mocy pompy i wykonaj procedurę ogniskowania oraz ustawienia opisaną w krokach 3.7-3.10 w Protokole 3.
  4. Wybierz co najmniej pięć częstotliwości, przy których chcesz zeskanować próbkę. Upewnij się, że model termiczny jest czuły na zmierzone właściwości w tym zakresie częstotliwości.
  5. Zablokuj laser sondowy i zapisz odczyty fazowe (tj. X) oraz kwadratury (czyli Y) z wyświetlacza wzmacniacza lock-in dla lasera referencyjnego. Następnie zablokuj zarówno sondę, jak i lasery referencyjne, aby rejestrować odczyty szumu X i Y. Po zakończeniu odblokuj laser sondy.
  6. Wybierz liczbę kroków (czyli liczbę pomiarów punktowych) w każdym kierunku skanowania (x i y) w LabVIEW VI. Wykonaj pomiar mapy.
  7. Powtórz krok 6.5 po zakończeniu pomiaru. Oblicz średnie X i Y przed i po pomiarze, zarówno dla sygnału odniesienia, jak i szumu.
    UWAGA: Pomiary referencyjne i szumowe można by zbierać w każdym miejscu pomiaru w skanu, ale znacznie wydłużyłoby to czas potrzebny na każdy pomiar obrazu. Uśredniając te wielkości z dwóch pomiarów (jednego przed i drugiego po skanowaniu przestrzennym), całkowity czas pomiaru zostaje znacząco skracony. Podążając za proceduralnymi krokami opisanymi w sekcji Protokoł, użytkownicy mogą zbudować system FDTR, przygotować próbki do charakteryzacji termicznej oraz przeprowadzić pomiary punktowe i obrazowe lokalnego κ. W następnej sekcji demonstrujemy pomiary lokalnego κ na podłożu z jednokrystalicznego krzemu, które wykorzystują te protokoły, oraz komentujemy źródła niepewności i ograniczenia implementacji FDTR.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Pomiary punktowe

Celem przedstawionego tutaj pomiaru punktowego jest określenie przewodności cieplnej w temperaturze pokojowej (κ) (100) krzemu monokrystalicznego na podstawie zmierzonej fazy termorefleksji złotej folii przetwornika na próbce. Do zmierzonych danych fazowych dołącza się dwuwarstwowy model przewodzenia ciepła, aby określić najlepiej dopasowane podłoże κ oraz przewodność cieplną (G) na styku przetwornika-krzem. Zmierzona grubość przetwornika, przewodność...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Przedstawiona tutaj technika FDTR służy do charakteryzowania lokalnego substratu κ substratu z pojedynczego kryształu krzemowego oraz do odwzorowania rozkładu κ wokół interfejsu między dwoma plazmowymi substratami krzemowymi. Jednym z kluczowych aspektów pomiaru jest zastosowanie dopasowania modelującego do określenia nieznanych właściwości termicznych podłoża oraz interfejsu przetwornik-podłoże. Dokładność pomiaru zależy od właściwego wyboru rozmiaru plamki i częstotliwości modulacji lasera pompy oraz od wcześniejszej z...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie ujawniają żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

Niektórzy autorzy otrzymali częściowe wsparcie finansowe z Northwestern University Center for Engineering Sustainability and Resilience poprzez projekt finansowany z nasion zatytułowany "Toward Engineering Metamaterials for Sustainable Energy Solutions: Local Thermal Properties of Grain Boundaries in Polycrystalline Materials".

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
3-osiowe silniki krokowe NanoMax stopniaThorlabsMAX383Etap tłumaczenia przykładu
Laser z falą ciągłą 532 nmSpectraFizykaSPFL 532-20Laser sondy
Achromatyczna dubletka, f=150mm, 2"ThorlabsAC508-150-C-MLSoczewki przekaźnikowe w systemie obrazowania optycznym 4-f używane do obrazowania centrum skanera Gimbal do tylnej apertury obiektywu mikroskopowego
Sześcian rozdzielacza wiązkiThorlabsBS019Wygląd
Licznik energii/szerokopasmowyMelles Griot13PEM001Do pomiaru mocy lasera
Sterownik pikomotorowy o zamkniętej pętliNowy fokus8743-CLDo skanowania wiązki pompy na powierzchni próbki
Kolorowa kamera CMOSThorlabsCS165CU1Do obrazowania powierzchni próbki
Zasilacz ograniczony prądemNowy fokus901Aby zasilić fotodetektor o dużej prędkości
Wzmacniacz światłowodowoIPG PhotonicsLDR-3ULaser pompowy
Izolator wolnej przestrzeni, 1550 nmThorlabsIO-5-1550-HPZapobieganie odbiciom wstecznym lasera pompy do wzmacniacza światłowodu
Izolator wolnej przestrzeni, 532 nmThorlabsIO-3-532-LPDo zapobiegania odbiciom wstecznym lasera sondy do lasera diodowego
Funkcja / Generator dowolnego przebieguAgilent33220ADo modulacji intensywności lasera pompowego
Mocowanie optyczne gimbaluNewport605-2Do skanowania wiązki pompy na powierzchni próbki
Złote lustra, 1"ThorlabsPF10-03-M01Lustra o wysokiej refleksyjności dla lasera pompowego
Półfalowa płyta (1550)ThorlabsWPH05M-1550Optyka polaryzacji
Półfalowa płyta (532 nm)ThorlabsOptyka polaryzacji
Odbiornik IR 1 GHz o niskim szumieNowy fokus1611Do monitorowania modulowanej intensywności lasera pompowego
Regulator diod laserowyILX Lightwave LDC-3742BDo sterowania intensywnością lasera pompy nasiennej
Wzmacniacz lock-inStanford Research
Systemy		SR844Dla pomiarów wysokich częstotliwości
Wzmacniacz lock-inStanford Research
Systemy		SR830Do pomiarów niskoczęstotliwościowych
Mechaniczny sterownik helikopteraStanford Research SystemsSR540Do modulacji natężenia wiązki sondy
MgO:PPLN KryształCovesionKryształ generacji drugiej harmonicznej dla częstotliwości podwajania lasera pompowego 1550 nm do źródła światła referencyjnego 775 nm
Polaryzacyjny rozdzielacz wiązkiThorlabsPBS254Optyka polaryzacji
Generator sygnału RFAgilentN9310ADo modulacji intensywności lasera pompowego
Sterownik silnika krokowegoThorlabsBSC200Kontroler dla etapu tłumaczenia próbki
Regulator temperaturyCovesionOC1Do kontroli temperatury kryształu MgO:PPLN
Widoczny odbiornik 1 GHz o niskim szumieNowy fokus1601Do monitorowania sygnału termorefleksji

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Pomiar właściwości termicznychmapowanie przewodnictości cieplnejlaser pompowo-sondowywzmacniacz lock-intermika granic ziarenprzewodność międzyfazowasymulacja Monte Carlomodel dyfuzji termicznejobrazowanie w skali mikronowej
Technika termorefleksji w dziedzinie częstotliwości do pomiarów właściwości termicznych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.