Termal Özellik Ölçümleri İçin Frekans Alanı Termoyansıması Tekniği

Malzemelerdeki mikro ölçekli kusurların, örneğin tane sınırlarının, mikron ölçeğinde mekânsal çözünürlüklü malzeme termal bağlantısını nasıl etkilediğini inceliyoruz. Termal özelliklerin boyuttan bağımsız olduğu süreklilik ölçekli varsayımı, küçük uzunluk ölçekleri olarak çözülür. Başlamak için, 532 nanometre diyot lazerinin güç anahtarını açık konuma getirerek güç kaynağını aktive edin.

Etkinleştirme ışığı yanana kadar bekle, bu da lazer kristalinin sıcaklığının sabit olduğunu gösterir. Sonra, lazer anahtarını çevirerek 532 nanometre lazerin yayılmasını başlatın ve bir güç ölçeri kullanarak giriş probu lazer gücünün 20 ila 30 miliwatt arasında olduğunu doğrulayın. Sonra, pompa lazer diyot kontrolcüsünü açın.

Diyot lazer spesifikasyonlarına göre doğru direnç değerini ayarlayarak termoelektrik soğutmayı etkinleştirin. Sıcaklık stabil hale geldikten sonra lazer akımını açın, ardından Erbiyum-Doped Fiber Amplifier (EDFA) cihazını açın ve çıkış gücünü istenen watt değerine ayarlayın. Emisyon düğmesine bas.

Sinyal jeneratöründe radyo frekansı veya RF, RF genliği ve önyargı voltajını ayarlayarak pompa lazer yoğunluğunu modüle edin. Şimdi, kilitli amplifikatoru ve foto dedektörü aç. Referans portunun RF sinyal jeneratörü çıkışına ve sinyal giriş portunun fotoğraf dedektörüne bağlı olduğundan emin olun.

Periyodik Kutulu Lityum Niobat kristalinin sıcaklık kontrolünü açın ve Orantılı Entegre Türev (PID kontrolü) etkinleştirin. Örneği, Z pozisyon ayarlaması için mikrometre düğmesiyle donatılmış çok eksenli hassas aşamaya monte edin. Numuneyi sabitlemek ve ölçüm sırasında kaymasını önlemek için ince çift taraflı bant kullanın.

Sonra, soğuk aynayı objektİFin üzerine monte ederek lazerleri örnek yüzeyine odaklamaya başlayın. CCD kamerayla örnek yüzeyini gözlemleyin ve sahnedeki Z düğmesini canlı kamera görüntüsünde yüzey netleşene kadar ayarlayın. Lazer noktası minimum boyutuna ulaşana kadar ince ayar yapmaya devam edin.

Odaklandıktan sonra soğuk aynayı çıkarın. Şimdi, laboratuvar görünümü sanal cihazını kullanarak, gimbal direksiyon aynasının eğim açılarını ayarlayarak pompa lazeri prob lazerinin optik ekseni boyunca hizalayacak. Termo yansıtma genliğini izleyin ve lazerlerin numune yüzeyinde aynı anda olduğunu doğrulamak için maksimum sinyali arayın.

İstenilen pompa güç seviyesini seçin ve örneği çok eksenli çeviri aşamasına monte edin. Örneği CCD kamerayla izleyin ve prob lazerinin yüzeyde temiz, kirsiz bir noktada yansımasını sağlamak için konumunu ayarlayın. Daha önce gösterildiği gibi odaklanma ve hizalama prosedürlerini gerçekleştirin.

Nokta ölçümü için frekans aralığına karar verin. Seçilen termal difüzyon modelinin hassas ve o aralıktaki malzeme özelliklerine uygun olduğundan emin olun. Seçilen frekans aralığı için kilitli amplifikatorda uygun hassasiyet seviyesini seçin.

Nokta ölçüm laboratuvar görünümü sanal cihazını, kilitlenme hassasiyet seviyesi, frekans aralığı ve ölçülecek toplam frekans sayısıyla programlayın. Gerekirse, sinyal-gürültü oranını optimize etmek için farklı hassasiyet seviyelerine sahip birden fazla aşamayı yapılandırın. Puan ölçümü çalıştırın ve kaydedilen verileri metin dosyası olarak kaydedin.

Kilitli amplifikatordan faz verilerini üç kez kaydedin: prob lazer sinyali için, bir kez referans lazer sinyali için ve bir kez gürültü için. Her kayıt sırasında kullanılmayan ışınları engelleyin ve gürültü verisi toplarken her iki ışını da engelleyin. İstediğiniz pompa güç seviyesini seçin.

Örneği çok eksenli çeviri aşamasına monte edin ve lazer noktasını doğrudan hedef alınan ölçüm alanının üzerine konumlandırın. Seçilen bölgenin kir ve yüzey pürüzlülüğünden arınmış olduğundan emin olun. Step motor aşamasının çeviri eksenlerini uç noktalarına taşımaktan kaçının, böylece Z ekseni ile bağlanmayı önleyin.

Şimdi ölçüm alanını görüntü ölçüm laboratuvarı görünümü sanal cihazına programlayın. Örneğin, belirlenen alanı hızlıca inceleyin, örneğin hem X hem de Y yönlerinde üç adım yapın, CCD kameranın canlı yayınını izleyin. Ölçüm alanının kesin sınırlarını belirleyin ve onaylayın.

Odaklanma ve hizalama prosedürünü tamamla. Örnekin taranacağı en az beş frekansı seçin. Seçilen termal modelin, bu frekans aralığındaki ölçülen örneklerin özelliklerine uygun şekilde hassas olduğunu doğrulayın.

Prob lazerini kilitleyin ve referans lazer için son faz X ve kvadratür Y okumalarını kilit ve amplifikatör ekranından kaydedin. Sonra, hem probu hem de referans lazerlerini bloklayarak X ve Y gürültü okumalarını yakalayın. Veri toplama tamamlandığında, prob lazerini açın.

Her tarama yönü için nokta ölçümlerinin sayısını laboratuvar görünümüne girin ve harita ölçümüne başlayın. Harita ölçümü tamamlandıktan sonra, hem referans hem de gürültü sinyalleri için x ve Y okumalarını kaydetme prosedürünü tekrarlayın. Son olarak, her iki sinyal için ölçüm öncesi ve sonrası ortalama X ve Y değerlerini hesaplayarak nihai düzeltilmiş sonuçları elde edin.

Pikosaniye ultrasonik yöntemiyle ölçülen altın dönüştürücü tabaka kalınlığı, zaman alanı dalga formunda koherent salınımlar gösterdi ve buna karşılık gelen 29 gigahertz'deki bir fourier genlik zirvesi ile yaklaşık 55,5 nanometre kalınlık elde etti. Bıçak kenarı ölçümleri, lazer noktalarının ortalama bir ve E yarıçapı yaklaşık 10 mikrometre olan lazer noktalarının boyutlarını belirledi ve lazer noktalarının dairesel simetrisini doğruladı. Termorefleks yüzü hassasiyet eğrileri, alt tabanın termal iletkenliği ve arayüz iletkenliği için frekansa bağlı belirgin davranışlar gösterdi ve 100 kilohertz ile 10 megahertz arasında korelasyonsuz özellikleri doğruladı.

Ölçülen termo yansıtma fazı, modülasyon frekansı arttıkça azaldı ve bir megahertz civarında bir döner noktası gösterdi; burada ısı akışı üç boyuttan tek boyutluya geçti. Monte Carlo'da yapılan sonda nokta boyutu belirsizliğinin simülasyonları, uygun alt yüzey termal iletkenliği ve arayüz iletkenliği değerleri için Gauss dağılımları üretti; buna karşılık gelen belirsizlikler yaklaşık beş ile %3,3 civarında. Model girdilerindeki artan belirsizlikler, pompa ve prob nokta boyutlarının en büyük yayılım hatalarına katkıda bulunmasıyla uyumlu termal özelliklerin belirsizliğinde doğrusal artışlara yol açtı. Dikey bir silikon arayüzünde yerel termal iletkenlik haritalaması, arayüzde iletkenlikte %3 azalma gösterdi, arayüz iletkenliği haritası ise neredeyse eşit kaldı.

Silikon ve termoelektrikte tane sınırları boyunca termal bağlantı baskısını ölçtük ve baskılama miktarının sınırın yapısal özellikleriyle, örneğin yanlış yönlendirme açısıyla ilişkili olduğunu gösterdik. Mikron ölçeğinde termal iletkenliği ölçebiliriz; örneğin örneğin lazer flaş analiziyle sağlanan toplu ölçümlere dayanmak yerine, örneğin örnekteki yerel heterojenlikleri ayırt edemez. Tane sınırları genellikle yapısız kusurlar olarak kabul edilir.

Ancak, FDTR'yi kullanarak tane sınırlarının yapılarına bağlı benzersiz termal özelliklere sahip olduğunu gösteriyoruz.