[發(fā)明專利]一種薄膜熱擴散系數(shù)的測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811269170.4
• 申請日: 2018-10-29
• 公開（公告）號: CN109557129B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭飛虎;潘善照;周川琦;趙欠麗;謝姣;孫文舉;黃陳昱;張冶文
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟大學
• 主分類號: G01N25/18
• 分類號: G01N25/18;G01N27/00
• 代理公司: 上?？剖⒅R產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 宣慧蘭

本發(fā)明涉及一種薄膜熱擴散系數(shù)的測量方法，包括：1、在待測薄膜與輔助薄膜間設(shè)置一層金屬電極后將兩薄膜相貼合組成待測樣品，在待測樣品的兩側(cè)再分別設(shè)置一層金屬電極；2、對待測薄膜兩側(cè)的金屬電極施加直流電場，同時用脈沖激光對位于待測薄膜一側(cè)的金屬電極垂直擊打；3、采集脈沖激光在待測樣品中產(chǎn)生的位移電流；4、將位移電流的時域信號變換到復頻域，得到待測樣品內(nèi)電場?頻率的關(guān)系曲線，選取曲線上分界面處的頻率，再結(jié)合薄膜厚度計算得到熱擴散系數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明只需要通過熱脈沖法得到薄膜樣品的位移電流，經(jīng)過傅里葉變換后找到轉(zhuǎn)折頻率點就可以計算得到待測樣品的熱擴散系數(shù)，具有操作簡單、計算方便的優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及薄膜材料熱物理性質(zhì)測試技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種薄膜熱擴散系數(shù)的測量方法。

背景技術(shù)

隨著近年來電子器件向著高速、低功耗、高集成度的方向飛速發(fā)展，薄膜的熱傳導問題顯得十分重要。薄膜材料在微納米尺度下的應(yīng)用不可或缺，薄膜材料的熱導率直接影響器件的散熱性能，進而對其可靠性以及運行速度也會有較大的影響。多層結(jié)構(gòu)的微納米級材料中界面間的熱傳導也較為重要，其中聲子在界面中的無序散射對熱傳導的影響較為突出。因此，研究薄膜熱物理性質(zhì)對于電容器件的制造以及集成電路的設(shè)計等都很重要。

薄膜熱擴散系數(shù)測量有多種方法。按照加熱方式分類有電加熱以及激光加熱，電加熱法通常需在待測薄膜表面鍍金屬電極，激光加熱通過激光聚焦樣品表面引起樣品表面的升溫。按照加熱裝置以及測溫裝置跟待測薄膜的距離，可以分為接觸式以及非接觸式測量，接觸式測量一般需考慮界面熱導。由于溫度和熱流不能通過相關(guān)的儀器直接測出，需要借助相關(guān)的量進行轉(zhuǎn)化，因此，其測量過程一直比較復雜。薄膜材料的熱導率測量方法目前主要有3ω法、拉曼光譜法、激光反射法、微橋法、懸膜法、掃描熱顯微鏡法，但是這些方法都有各自的缺陷，例如測量的樣品材料不能太薄，就不能滿足薄膜的測量，有些方法的測量難度較大，難以應(yīng)用到實際的生產(chǎn)當中。雖然聚合物薄膜應(yīng)用十分廣泛，但測量薄膜熱擴散系數(shù)的方法還有較大的困難。本領(lǐng)域尚缺乏簡單的測量薄膜材料熱擴散系數(shù)的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種薄膜熱擴散系數(shù)的測量方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種薄膜熱擴散系數(shù)的測量方法，包括以下步驟：

S1、選取厚度是待測薄膜厚度的2～4倍的另一薄膜作為輔助薄膜，在待測薄膜與輔助薄膜間設(shè)置一層金屬電極后將兩薄膜相貼合組成待測樣品，在待測樣品的兩側(cè)再分別設(shè)置一層金屬電極；

S2、對待測薄膜兩側(cè)的金屬電極施加直流電場，同時用脈沖激光對待測樣品兩側(cè)中位于待測薄膜一側(cè)的金屬電極垂直擊打；

S3、通過示波器采集脈沖激光在待測樣品中產(chǎn)生的位移電流；

S4、將位移電流的時域信號變換到復頻域，利用尺度變換法得到待測樣品內(nèi)電場-頻率的關(guān)系曲線，選取曲線上分界面處的頻率，再結(jié)合薄膜厚度計算得到熱擴散系數(shù)。

優(yōu)選的，所述步驟S2中對待測薄膜兩側(cè)的金屬電極施加直流電場的過程具體包括：將待測樣品兩側(cè)中位于待測薄膜一側(cè)的金屬電極接地，兩個薄膜中間的金屬電極連接直流電壓源。

優(yōu)選的，所述步驟S3具體包括：待測樣品兩側(cè)中位于輔助薄膜一側(cè)的金屬電極依次通過隔直電容、保護電路和放大器連接示波器，由所述示波器采集脈沖激光在待測樣品中產(chǎn)生的位移電流。

優(yōu)選的，所述隔直電容和保護電路之間設(shè)有開關(guān)。

優(yōu)選的，所述開關(guān)為單刀雙擲開關(guān)，所述單刀雙擲開關(guān)的不動端與隔直電容連接，動端分別與保護電路或地連接；

在步驟S3中先將所述動端連接地并檢測待測樣品兩側(cè)是否有電流通過，若無，則將動端連接保護電路，由所述示波器采集脈沖激光在待測樣品中產(chǎn)生的位移電流。