[發明專利]一種基于拉曼散射的應力作用下薄膜材料熱導率的測量方法

有效

• 申請號: 201410042370.1
• 申請日: 2014-01-28
• 公開（公告）號: CN103776814A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 畢可東;趙偉瑋;陳偉宇;倪振華;陳云飛
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及一種基于拉曼散射的應力作用下微尺度薄膜材料熱導率的測量方法。本發明屬微納機械和傳熱學領域。

背景技術

早在上世紀五十年代，微電子領域先驅者們已經發現，加工半導體過程中的許多步驟會在器件的構造內產生不可避免的應力，這種應力會引起微電子器件發生災難性失效。后來，研究者們發現，納米尺度下的應力可用來增強材料的特殊物理性能，例如，應力作用下硅材料內載流子遷移率的增大，使得應變硅技術已成為最新一代晶體管和電子器件的集成特征。當今納米技術領域里，研究機械應力對器件物理性能的影響，已成為提高器件性能的必要步驟。

在體態宏觀尺度，較小的機械應力通常不會改變材料的熱導率，但是，當材料的特征尺寸減小到與電子和聲子的平均自由程相當時，機械應力將會影響到材料的熱學性能。采用機械應力調節材料的熱導率，不但可以有助于解決電子學領域里遇到的熱管理問題，而且針對機械應變對納米結構導熱系數影響的充分研究有利于納米結構的可重復性熱表征和熱設計。

應力引起晶體晶格變形，即產生應變。測量局部晶格變形，也可以推斷出局部應力。測量材料熱導率和所受應力的方法有多種，但現有方法都難以完成對材料熱導率和所受應力的同時測量。拉曼光譜儀是研究材料特性的一種重要的無損工具，已被成功用于研究低維納米材料的物理特性。探索聲子頻率變化是評價一種材料在外加應變或應力下沿著某給定軸線應變轉移程度的一種有效途徑，同時，拉曼光譜儀又可應用于低維納米材料導熱性能的測試。拉曼光譜技術是研究熱應力耦合的一個理想工具，因為它能直接探測到聲子振動，對局部的應力和熱學特性非常敏感。

發明內容

技術問題：針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種簡易而又實用的應力作用下薄膜材料熱導率的測量方法。

技術方案：本發明基于拉曼散射的應力作用下薄膜材料熱導率的測量方法是：利用柔性基底對樣品施加應力，利用拉曼散射測量薄膜材料的熱導率，該方法具體包括：

采用激光器輸出533納米波長激光；

激光器輸出的533納米波長激光通過分光鏡，將533納米波長激光分為二束光，第一束光用于激發拉曼散射入射應力施加系統中的樣品；第二束光用于信號采集，作為參照光入射反射鏡；

其中，第二束光采用反射鏡以及分光鏡改變參照光光路方向；用于激發拉曼散射的第一束光照射到樣品后，經過分光鏡進入拉曼探測器；

由拉曼探測器采集拉曼信號，采集時關閉光學圖像采集器，其中光學圖像采集器所用光為自然光；

由數據采集系統分析處理采集得到的拉曼信號。

所述利用柔性基底對樣品施加應力的方法為：在柔性基底上加工微米大小直徑的孔，再將待測的樣品轉移到柔性基底上，并保證樣品覆蓋柔性基底上的孔。

所述對樣品施加應力，是通過對柔性基底兩端進行機械拉伸，從而對樣品施加機械應力。

有益效果：本發明所提供應力作用下薄膜材料熱導率的測量方法有其獨特有益效果，具體優點如下：

1.本發明無需對樣品進行加工處理，所獲得樣品的純度高，結果可靠性強；

2.本發明成本較低、操作簡單易行，適合大量實驗，經濟效應高；

3.本方法可測得同一樣品在不同應力作用下的熱導率，測量精度高。

附圖說明

圖1是本發明的實驗結構示意圖。其結構包括：激光器1，分光鏡2，反射鏡3，應力施加系統4，柔性基底5，樣品6，分光鏡7，拉曼探測器8，光學圖像采集器9，數據采集系統10。

具體實施方式

該熱導率測量技術的系統如圖1所示，其系統包括：

激光器1用于輸出533納米波長激光；

分光鏡2用于將533納米波長激光分為2束，一束用于激發拉曼散射，一束用于信號采集時作為參照光；

反射鏡3用于改變參照光光路方向；

應力施加系統4用于在柔性基底上施加單方向機械應力，包括光學可調狹縫及螺旋測微頭；

柔性基底5作為被測樣品的基底，并將所受機械應力傳遞給被測樣品；

樣品6待測樣品；

分光鏡7用于設置樣品反射光束光路，白光束用于光學成像，拉曼激光束用于拉曼信號采集；

拉曼探測器8用于采集測得的拉曼信號；

光學圖像采集器9用于采集測量的光學圖像；

數據采集系統10用于數據分析處理；

其理論模型溫度變化趨勢包括：

從中心點開始的懸置樣品區域的溫度T_m，其溫度變化由懸置樣品面內方向的熱導率κ_s引起，