[發明專利]表征二維納米材料熱物性的雙脈沖閃光拉曼方法及系統

有效

• 申請號: 201711384573.9
• 申請日: 2017-12-20
• 公開（公告）號: CN108107074B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 張興;樊傲然;胡玉東;馬維剛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N21/65
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 趙天月

本發明提出了一種表征二維納米材料熱物性的雙脈沖閃光拉曼方法及系統。該表征二維納米材料熱物性的雙脈沖閃光拉曼方法包括：(1)通過波長不同、脈沖周期相同的加熱脈沖激光和探測脈沖激光，獲得樣品的溫升數據；(2)基于溫升數據，確定出樣品的熱物性參數。本發明所提出的方法，在不同時段分別采用加熱脈沖激光加熱樣品、探測脈沖激光探測樣品，如此，該方法無需調焦而避免了測量誤差，分別采用加熱脈沖激光和探測脈沖激光可避免加熱功率對測量精度的影響，從而使該方法表征的樣品熱物性參數的準確性更好、靈敏度更高。

技術領域

本發明涉及微納米尺度熱物性測試領域，具體的，本發明涉及一種表征二維納米材料熱物性的雙脈沖閃光拉曼方法及系統。更具體的，本發明涉及表征二維納米材料熱物性的雙脈沖閃光拉曼方法、用于表征二維納米材料熱物性的雙脈沖閃光拉曼系統。

背景技術

納米薄膜材料在光電元件、機械元件和儲存介質等領域均有著重要的應用前景，而對納米薄膜材料的性質的準確測定，則是其應用的先決條件。

接觸式方法，作為傳統的熱傳導特性測量方法，被廣泛應用于二維納米材料的測量。2013年，Xie.等人(Xie H,et al.,Applied Physics Letters,2013,102(11):111911.)通過通電自加熱法測量了懸架石墨烯納米條帶的熱導率。同年，Jang.等人(Jang W,etal.,Applied Physics Letters,2013,103(13):133102.)通過T型法測量了懸架多層石墨烯的熱導率。此外，懸浮微器件法也被廣泛應用于二維納米材料的測量。然而，接觸式方法往往會引入無法消除的接觸熱阻和接觸電阻，給測量帶來不必要的誤差；需要制備微電極，樣品制備困難，加大了測量難度；由于存在漏電影響，通常不適用于有基底的樣品。由于界面效應的影響，有基底和懸架的納米薄膜性質存在差異，因此，還需使用非接觸式方法測定有基底的二維納米材料熱傳導特性。

拉曼光譜法作為一種非接觸式方法，可被用于測量有基底二維納米材料的熱傳導特性：通過連續激光加熱有基底的二維材料樣品，再通過測量二維材料拉曼特征峰峰位的偏移確定二維材料溫升，即可確定其熱傳導特性。然而，在此類測量中需要假設二維材料的激光吸收率和基底溫升，引入了不必要的誤差。2016年，Li.等人(Li Q Y,et al.,International Journal of Heat and Mass Transfer,2016,95:956-963.)開發了變光斑拉曼閃光法，分別使用脈沖激光和連續激光加熱有基底二維納米材料，通過改變光斑尺寸獲得基底和二維材料激光吸收率之比及二維材料的熱導率，通過比較脈沖激光和連續激光加熱的溫升消除二維納米材料激光吸收率的影響，進而通過改變脈沖脈沖激光時間獲得二維材料的熱擴散率。然而，這一方法需要通過調整焦平面距樣品的距離改變光斑大小，在測量中會引入一定的誤差；激光吸收率之比和二維材料熱導率的區分度較低，也會導致一定的測量誤差；加熱激光同時作為探測光，加熱功率過大會引起激光器熱漂，加熱功率過小會導致樣品溫升過小，均會影響測量精度。

綜上所述，現有實驗研究尚不能精確的測定有基底二維納米材料的熱傳導特性，亟待開發更簡便、更高精度的有基底二維納米材料熱傳導特性確定方法。

發明內容

為了準確地測量二維納米材料的熱物性參數，本發明提供了一種用于表征二維納米材料熱物性的雙脈沖閃光拉曼法。其中，針對有基底的二維納米材料樣品，可使用一束較強的加熱脈沖激光來加熱樣品和基底；在加熱脈沖激光的間隔時間t_c內，使用另一束不同波長的探測脈沖激光進行拉曼信號探測，并利用拉曼光譜峰位偏移和溫升的線性關系，可以測定出探測脈沖激光時間t_p內樣品和基底表面的溫升。而且，還可通過雙通道信號發生器，來調控探測脈沖激光與加熱脈沖激光的時間偏差t_d，可以同時測定樣品和基底表面的溫升隨時間的變化曲線，由此即可獲得二維納米材料樣品的熱擴散率α、熱導率λ及二維納米材料與基底之間的接觸熱阻g等熱物性參數。此外，上述方法同樣可測定懸架二維納米材料溫升隨時間的變化，從而得到懸架二維納米材料的熱擴散率α。