Pioneer-ONE：飞秒激光时域热反射测量系统（TDTR）

Pioneer-ONE系列飞秒激光时域热反射测量系统（TDTR）可用于研究各种多层膜结构热物性，包括纳米薄膜材料和液体材料的热导率、热容；固-固材料界面、固-液材料界面，微结构界面热导；及各种微结构热物性等。

特点与优势

多参数拟合

多频拟合选件

敏感度分析功能

不确定性分析功能

系统简介

在现代工业中，材料的热性能，尤其是热物理性能，变得越来越重要。这些性能在高性能微电子器件的散热材料、可持续能源中的热电材料、节能领域的绝热材料以及涡轮叶片的热障涂层（TBC）等方面都有广泛应用。在各种热物性参数中，导热系数尤为关键。随着电子设备设计的进步和对you效热管理需求的增加，纳米薄膜材料得到了广泛应用。纳米级薄膜的厚度通常小于块体材料的典型晶粒粒径，因此其热物理性能与块体材料有显著不同。在纳米级厚度范围内，精确测量热扩散系数和导热系数变得越来越迫切。

飞秒激光时域热反射（Time-Domain Thermoreflectance, TDTR）技术是?种基于飞秒超快激光泵浦探测（pump-probe）技术的非接触式导热测量方法。相比其他导热测量技术， TDTR是目前少数几种可以同时测量纳米薄膜热导率和界面热阻的技术。该技术用于研究多种材料的微观热输运性质，包括纳米薄膜材料和液体材料的热导率，固-固材料界面和固-液材料界面的热导，以及在极低温（4K）和超高压（10GPa）条件下的热输运。此外，TDTR还对短脉冲和高频加热情况下的非傅立叶模型进行了解析计算，并从量子理论出发分析了微尺度能量输运过程。

测量原理

图1 典型样品结构，包括金属薄膜传感层和其他可能的基底材料

导热特性的测量有两大必要因素：热流的施加（加热方式）和温度的测量，对这两大因素的选取和控制决定了测量方法的精度和适用范围。TDTR方法采用脉冲激光加热、脉冲激光测温的测量方式，实现测量温度随时间变化的超高时间分辨率，时间分辨率zui高可达100飞秒（10^-15秒）。测量所使用的典型样品结构如图1所示，为保证样品吸收和反射激光的效果，通常在被测样品表面制备厚度约100纳米的金属薄膜，通常为铝、金、铜等金属。仪器利用一束飞秒脉冲激光照射样品表层金属薄膜，金属薄膜吸收激光能量并将其转化为热能从而对样品进行加热，加热过程在皮秒（10^-12秒）尺度上发生，随后热能通过热扩散向样品内部传递，金属表面温度随时间逐渐回落。由于金属的反射率与其温度有关，利用该特性仪器通过测量另?束激光的反射强度变化反推获得金属表面温度随时间的变化曲线，该曲线反应了被测样品的导热性质，通过仪器内置的拟合算法可以获得被测样品的热导率、热扩散率、吸热系数、界面热阻等热物性参数。

典型数据展示

图2 六种基底材料与Al传感层组成的两层结构样品的相位差信号和幅值信号及zui佳拟合曲线

数据结果显示，AlN和SrTiO3基底与Al传感层之间的界面热导均接近110 MW/m2K，

其他四种常见基底材料与Al传感层之间的界面热导的数值分布在140–200 MW/m2K中。

图3 六种基底材料热导率的测量值与文献报道值的对比