[發明專利]一種非接觸式測量單根納米線熱物性的方法

有效

• 申請號: 201911059006.5
• 申請日: 2019-11-01
• 公開（公告）號: CN110879220B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 劉錦輝;劉浩
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01N25/20;G01N25/18
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 張玲

本發明屬于納米線材熱物性測量領域，具體涉及一種非接觸式測量單根納米線熱物性的方法。方法包括：(1)聚焦激光同時作為加熱源和拉曼信號激發源，分別利用脈沖激光和連續激光照射傳感納米線(具有較強拉曼信號和峰位隨溫度線性偏移特性)，通過比較連續激光和脈沖激光加熱溫升實現消去激光吸收系數，獲得傳感納米線的熱擴散率和熱導率。(2)以傳感納米線作為特征溫度和熱流傳感器，通過比較搭接待測納米線前后激光加熱傳感線相同位置造成溫升值的變化，獲得待測納米線材的熱導率。本發明提出的測量方法對待測線性質無特殊要求，具有原理簡單、測量精度高、非接觸式、應用范圍廣等優點，為納米材熱物性的準確測量提供了新途徑。

技術領域

本發明屬于納米線材熱物性測量領域，具體涉及一種非接觸式測量單根納米 線熱物性的方法。

背景技術

納米線材具有優異的電學、光學和熱學性能，在熱電轉換、光電轉換以及微 納電子等領域具有廣泛的應用，為解決能源危機和環境污染等迫切問題開辟了新 途徑。基于納米線材的微器件工作穩定性和安全性很大程度上取決于其工作溫度， 因而納米線熱物性的準確確定成為熱設計的關鍵因素之一。然而尺寸效應和各向 異性的存在導致納米線材的熱物性與其對應的宏觀材料熱物性差異顯著，并且宏 觀尺度下的熱物性測量方法無法適用于納米線材熱物性的測量。因此，新型納米 線材熱物性的非接觸式快速、準確測量是當前納米材料研究的一大熱點和難點。

由于納米線特征尺寸極小，常用熱物性測量方法無法適用于納米線材熱輸運 特性的表征。已開發的接觸式方法主要包括：直流通電法、懸架微器件法、3ω 方法和3ω-T形法。該類方法根據待測線或待測線傳感器電阻的變化確定特征點 的溫度和通過待測線的熱流，從而實現熱物性的測量。然而已有接觸式測量方法 存在的主要問題有：(1)為納米線制作電極涉及到諸多微加工工藝，容易在待測 納米線上沉積污染物，改變待測材料的熱輸運性質；(2)受到微加工工藝的限制， 傳感器尺寸遠大于部分待測線的特征尺寸，傳感器上溫度不均勻和輻射換熱將造 成較大測量誤差；(3)納米線和納米傳感器的特征尺寸和熱容量極小，容易受到 電脈沖的破壞；(4)接觸電阻和漏電可能會影響測量結果的準確性。已有接觸式 測量方法存在的諸多問題導致測試周期變長、成本升高而且測量誤差可能增大。

拉曼光譜技術以其非接觸、無損壞和高空間分辨率等優點廣泛應用于生物學、 化學、物理學、力學和材料學等學科。部分材料的拉曼特征峰峰位隨溫度具有線 性偏移特性，據此可以實現溫度的測量。利用拉曼光譜測量納米材料熱物性的方 法有通電加熱-拉曼測溫法和拉曼激光自加熱法。結合拉曼光譜開發的納米線熱 物性測量方法仍有如下問題：對單根納米線通電加熱極為復雜，造成樣品結構復 雜，接觸電阻的存在可能引起較大誤差；納米線對激光的吸收系數難以準確確定； 拉曼光譜測量溫度要求待測材料具有尖銳的拉曼信號，而且其拉曼特征峰峰位隨 溫度具有線性偏移特性，然而絕大部分材料不具有該性質。

綜上所述，現有接觸式和非接觸式測量納米線熱物性方法均有各自的不足， 亟待開發簡便、準確且具有廣泛適用性的納米線熱物性非接觸式測量方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種非接觸式測量單根納米線熱物性的方法。

實現本發明目的的技術解決方案為：

一種非接觸式測量單根納米線熱物性的方法，包括如下步驟：

步驟(1)：聚焦激光同時作為加熱源和拉曼信號激發源，在真空環境中分別 利用脈沖激光和連續激光照射傳感納米線，通過比較連續激光和脈沖激光加熱溫 升實現消去激光吸收系數，獲得傳感納米線的熱擴散率和熱導率；其中所述傳感 納米線具有較強拉曼信號和峰位隨溫度線性偏移特性；

步驟(2)：以傳感納米線作為特征溫度和熱流傳感器，通過比較搭接待測納 米線前后激光加熱傳感線相同位置造成溫升值的變化，獲得待測納米線材的熱導 率。

進一步的，所述步驟(1)具體包括如下步驟：