Technika termorefleksji w dziedzinie częstotliwości do pomiarów właściwości termicznych

Badamy, jak mikroskopowe defekty materiałów, takie jak granice ziaren, wpływają na termiczną łączność materiału z rozdzielczością przestrzenną na skalę mikronową. Założenie skali ciągłej, że właściwości termiczne są niezależne od rozmiaru, rozkłada się na małe skale długości. Aby zacząć, należy przekręcić przełącznik zasilania lasera diodowego o średnicy 532 nanometrów na pozycję włączoną, aby aktywować zasilacz.

Poczekaj, aż zapali się kontrolka aktywująca, co oznacza, że temperatura kryształu lasera jest stabilna. Następnie przekręć przełącznik lasera, aby zainicjować emisję lasera o średnicy 532 nanometrów i użyj miernika mocy, aby potwierdzić, że moc wejściowego lasera sondy wynosi od 20 do 30 miliwatów, zanim przejdziesz dalej. Następnie włącz regulator diod laserowych pompy.

Umożliwienie chłodzenia termoelektrycznego poprzez ustawienie właściwej wartości rezystancji zgodnie ze specyfikacją lasera diodowego. Po ustabilizowaniu temperatury włącz prąd laserowy, następnie włącz wzmacniacz światłowodowo domieszkowany erbiem, czyli EDFA, i ustaw moc wyjściową na pożądaną wartość w watach. Naciśnij przycisk emisji.

Ustaw częstotliwość radiową, czyli amplitudę RF oraz napięcie polaryzacyjne na generatorze sygnału, aby modulować intensywność lasera pompowego. Teraz włącz wzmacniacz blokujący i detektor zdjęć. Upewnij się, że port referencyjny jest podłączony do wyjścia generatora sygnału RF, a port wejściowy sygnału do detektora zdjęć.

Włącz regulator temperatury dla okresowo polowanego kryształu niobianu litu i włącz proporcjonalną pochodną całkowitą, czyli PID. Zamontuj próbkę na wieloosiowej precyzyjnej scenie wyposażonej w mikrometrowe pokrętło do regulacji pozycji Z. Użyj cienkiej, dwustronnej taśmy, aby zabezpieczyć próbkę i zapobiec jej przesuwaniu się podczas pomiaru.

Następnie zamontuj zimne lustro nad obiektywem, aby zacząć skupiać lasery na powierzchni próbki. Obserwuj powierzchnię próbki przez kamerę CCD i reguluj pokrętło Z na scenie, aż powierzchnia stanie się ostra na żywym podglądzie z kamery. Kontynuuj precyzyjne dostrojenie, aż plama laserowa osiągnie minimalny rozmiar.

Gdy zdążysz się wyostrzyć, usuń zimne lustro. Teraz, korzystając z wirtualnego instrumentu do widoku laboratoryjnego, dostosuj kąty nachylenia lustra sterującego gimbalem, aby wyrównać laser pompy wzdłuż osi optycznej lasera sondy. Monitoruj amplitudę termorefleksji i szukaj maksymalnego sygnału, aby potwierdzić, że lasery pokrywają się z powierzchnią próbki.

Wybierz pożądany poziom mocy pompy i zamontuj próbkę na wieloosiowym stopniu translacyjnym. Oglądaj próbkę przez kamerę CCD i reguluj jej pozycję, aby upewnić się, że laser sondy odbije się w czystym, wolnym od zanieczyszczeń miejscu na powierzchni. Wykonaj procedury skupienia i wyrównania, jak pokazano wcześniej.

Zdecyduj o zakresie częstotliwości pomiaru punktowego. Sprawdź, czy wybrany model dyfuzji termicznej jest czuły i odpowiedni dla właściwości materiału w tym zakresie. Wybierz odpowiedni poziom czułości wzmacniacza lock-in dla wybranego zakresu częstotliwości.

Zaprogramuj wirtualny instrument do punktowego pomiaru laboratoryjnego z poziomem czułości lock-in, zakresem częstotliwości oraz łączną liczbą częstotliwości do pomiaru. W razie potrzeby konfiguruj wiele stopni o różnych poziomach czułości, aby zoptymalizować stosunek sygnału do szumu. Uruchom pomiar punktowy i zapisz zarejestrowane dane jako plik tekstowy.

Zapisz dane fazowe ze wzmacniacza lock-in trzy razy: raz dla sygnału lasera sondy, raz dla sygnału lasera referencyjnego i raz dla szumu. Blokuj nieużywane wiązki podczas każdego nagrywania i blokuj obie wiązki podczas zbierania danych o szumie. Wybierz pożądany poziom mocy pompy.

Zamontuj próbkę na wieloosiowym stopniu translacji i umieść plamkę laserową bezpośrednio nad zamierzonym obszarem pomiarowym. Upewnij się, że wybrany obszar jest wolny od brudu i nierówności w chropowatości powierzchni. Unikaj przesuwania osi translacyjnych stopnia silnika krokowego do ich skrajności, aby zapobiec sprzężeniu z osią Z.

Teraz zaprogramuj obszar pomiarowy w wirtualnym przyrządzie do pomiaru w laboratorium pomiarowym obrazu. Przeprowadź szybkie skanowanie wyznaczonego obszaru, na przykład trzy kroki w kierunku X i Y, monitorując na żywo transmisję z kamery CCD. Zidentyfikuj i potwierdź dokładne granice obszaru pomiarowego.

Wykonaj procedurę skupienia i wyrównania. Wybierz co najmniej pięć częstotliwości, na których próbka będzie skanowana. Sprawdź, czy wybrany model termiczny jest odpowiednio czuły na mierzone właściwości próbki w tym zakresie częstotliwości.

Zablokuj laser sondy i zapisz odczyty końcowej fazy X oraz kwadratury Y dla lasera referencyjnego z wyświetlacza zamka i wzmacniacza. Następnie zablokuj zarówno sondę, jak i lasery referencyjne, aby uchwycić odczyty szumu X i Y. Po zakończeniu zbierania danych odblokowaj laser sondy.

Wprowadź liczbę kroków reprezentujących liczbę pomiarów punktowych dla każdego kierunku skanowania do widoku laboratoryjnego sześć i rozpocznij pomiar mapy. Po zakończeniu pomiaru mapy powtórz procedurę zapisywania odczytów x i y zarówno dla sygnałów referencyjnych, jak i szumowych. Na koniec oblicz średnie wartości X i Y przed i po pomiarze dla obu sygnałów, aby uzyskać ostateczne skorygowane wyniki.

Grubość warstwy przetwornika złota zmierzona metodą ultradźwiękową pikosekund wykazała spójne oscylacje w fali w dziedzinie czasu z odpowiadającym szczytem amplitudy Fouriera przy 29 gigahercach, co daje grubość około 55,5 nanometra. Pomiary ostrza nożowego określały rozmiary plam lasera pomp i sond, ze średnią jeden na promienie E około 10 mikrometrów wzdłuż obu kierunków X i Y, potwierdzając symetrię kołową plam lasera. Krzywe czułości powierzchni termorefleksji wykazały wyraźne, zależne od częstotliwości zachowanie przewodności cieplnej podłoża oraz przewodności międzypowierzchniowej, potwierdzając nieskorelowane właściwości między 100 kilohercami a 10 megahercami.

Zmierzona faza termorefleksji zmniejszała się wraz ze wzrostem częstotliwości modulacji i wykazała punkt zwrotny bliski jednej megahercy, gdzie przepływ ciepła przechodził z trójwymiarowego na jednowymiarowy. Symulacje Monte Carlo dotyczące niepewności wielkości punktu sondy dały rozkłady Gaussa dla wartości przewodności cieplnej dopasowanego podłoża oraz przewodności międzypowierzchniowej z odpowiadającymi niepewnościami około pięciu do 3,3%. Rosnące niepewności w danych wejściowych do modelu prowadziły do liniowego wzrostu niepewności dopasowanych właściwości termicznych, przy czym rozmiary punktów pompy i sondy przyczyniały się do największych błędów propagacji. Lokalne mapowanie przewodności cieplnej na pionowym interfejsie krzemowym wykazało spadek przewodności o 3% na tym interfejsie, podczas gdy mapa przewodności międzyinterfejsowej pozostała niemal jednolita.

Zmierzyliśmy tłumienie łączności termicznej na granicach ziaren w krzemu i termoelektryce oraz wykazaliśmy, że stopień tłumienia koreluje z cechami strukturalnymi granicy, takimi jak kąt nieorientacji. Możemy mierzyć przewodność cieplną na skalę mikronową, zamiast polegać na pomiarach zbiorczych dostarczanych na przykład przez laserową analizę błyskową, która nie potrafi rozróżnić lokalnych heterogeniczności na próbce. Granice ziaren zazwyczaj uważa się za defekty bez struktury.

Jednak używamy FDTR, aby wykazać, że granice ziaren mają unikalne właściwości termiczne, które zależą od ich struktury.