论文总字数：33065字

摘 要

本文通过搭建飞秒激光实验台，建立双波长飞秒激光抽运探测热反射系统（TDTR），一次来实现对纳米材料及界面热输运性质的研究。我们利用钛-蓝宝石激光器发出的一束载有脉冲信号的激光经过分束器，分成两束激光。其中一束激光我们成为泵浦光，另一束我们成为探测光。泵浦光通过一个电光调制器之后，最后聚焦在样品加热区域，经过样品表面反射后，进入光电探测器，完成了光电信号的转变。最后，我们通过锁相放大器来获得探测光的信号，从而完成数据测量工作。

另一方面，为了从测量数据中得到我们所需要的热学参数，我们利用傅里叶定理分别建立了一维导热模型和二维导热模型。通过对比发现二维模型可以给出更多的热学信息，确立了通过二维导热模型拟合出样品的热学参数。

最后我们通过飞秒激光瞬态热反射技术对三层膜样品在几个纳秒内的热运输过程进行了实际的测量，并通过二维传热模型拟合得到了样品的界面热阻等诸多热学信息。实验显示飞秒激光瞬态热反射系统以及二维传热模型基本可以完成对纳米材料热物性参数的测量。

关键词：界面热导；飞秒激光瞬态热反射技术；导热模型；热学参数

Abstract

In recent years, with the development of science and technology and more and more small size of microelectronic devices, the heat dissipation problems of modern microelectronic devices have become increasingly prominent. Our experiments and the technology is expanding in the micro nano scale. however, the measurement of micro nano scale physical material properties is often challenging, experimental conditions need to be improved.

In this work, thermal parameters have been measured by femtosecond laser transient thermoreflectance system. We use a Ti:Sapphire laser device to give out a beam of laser with pulse sign, then we use a beam splitter to split the laser into two beams. One of the beams called pump laser, the other called probe laser. The pump laser pass though an acousto-optic modulation, and finally focused on the surface of the sample, which make the sample’s temperature rise. The probe laser pass though a delay platform, and finally focused on the sample’s heating area, and then enter the photoelectric detector after the sample surface reflection, which complete the transformation of photoelectric signal. Finally, we get the signal by a lock-in amplifier, thus completing the data measurements.

On the other hand, in order to obtain the thermal parameters we need from the measured data, we have a one-dimensional heat conduction model and two-dimensional heat conduction model established by Fourier law. By contrast, we find that the two-dimensional model can give more thermal information, and then we establish two-dimensional heat conduction model to fit thermal parameters of the samples.

Finally we use femtosecond laser transient thermoreflectance to measure Al/Si samples in a few nanoseconds heat transport process, and the interface thermal resistance.Experiments show that the femtosecond transient thermoreflectance system and two dimensional heat transfer model can complete the measurement of thermal parameters of nano material.

Key words: interface thermal conduction; femtosecond transient thermoreflectance; heat conduction model; thermal parameters

目 录

中文摘要………………………………………………………………………………………………………………………I

英文摘要………………………………………………………………………………………………………………………II

1. 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究目的及研究内容 2

2. 飞秒激光实验台的搭建 2

2.1飞秒激光瞬态热反射技术的测量原理 2

2.2飞秒激光实验台的搭建方案 3

2.2.1 加热时序脉冲 5

2.2.2 脉冲激光信号的调制 5

2.2.3 扩束模块 7

2.2.4 锁相放大器 8

2.2.5 倍频模块 10

2.3 测量系统的校准与调试 10

2.3.1 探测光束的漂移调节 10

2.3.2 探测光束与泵浦光束重合 12

3.热学模型 12

3.1 导热问题的数学描述 12

3.2 二维热学模型的建立 13

3.3 灵敏度分析 17

3.4 模型的局限性 18

4.界面热导的测量 18

4.1 界面热导概述 18

4.2 测量步骤 19

4.2.1 样品的制备 19

4.2.2 基底上镀薄膜 19

4.2.3 低温测量 19

4.3 测量结果与分析 20

5.总结与展望 20

5.1 结论 20

5.2 创新点 20

5.3 展望 20

致 谢 22

参考文献： 23

附录：数据拟合Matlab主程序 26

微尺度传热的测量原理与实验

绪论

课题背景及意义

近年来随着科技的发展、微电子设备的尺寸越来越小、工作频率的提高，现代微电子设备的散热问题日益突出。我们的实现和可采用的技术的边界在向微纳尺度扩展。然而，在微纳尺度内，材料物理属性的测量常常是非常具有挑战性的，并且需要达到新的实验条件或者改善已有的实验条件。目前我们可以确定的是，在微纳尺度内，材料的性能正不断突破人们对材料宏观属性的研究。因为材料的尺度越来越小，所以材料的界面热导变得越来越重要。在微纳尺度内，随着单位长度界面数量的增加，影响材料热导率的主要因素不再是材料本身的热阻，而是界面热导，用来描述材料宏观热传导的傅里叶定律也将不再成立。在这种情况下，我们需要建立新的模型来描述热传导行为。

因此，我们通过设计和搭建飞秒激光试验台来测量材料的热学参数。实验中我们通过将两束泵浦-探测光分别聚焦在样品表面，其中泵浦光经过调制用来加热样品表面，探测光经过削弱延时后用来检测样品表面的温度变化。而样品表面的温度和材料的热学性质、界面热导是息息相关的，因此这些热学参数可以通过比较计算机获得的数据和热学模型获得。

• 1. 国内外研究现状

基于超短脉冲激光的信息的超快速获取是一种超快科学技术,是当前信息科学的前沿,具有强烈的渗透性和带动性。

上世纪80年代初超短脉冲激光器的脉冲宽度发展到皮秒的量级。1983年，美国GM实验室的Eesley^[3]发表了一篇关于金属Cu中非平衡导热实验研究的文章。这是超短脉冲激光第一次应用于微尺度热传递研究领域。Eesley用泵浦光加热金属Cu薄膜，用能量较弱的探测光探测加热样品表面反射率的瞬时变化。这种技术称为瞬态热反射（Transient Thermoreflectance，TTR）技术。他的研究工作有两个重要意义：第一，揭示了瞬态高强度激光激发的微观热传递过程是一个非平衡态热过程；第二，超短时间分辨实验可以用来研究热过程中的热载流子的非平衡相互作用。1986年，Eesley^[4]利用TTR技术，通过金属薄膜的瞬时温度响应与导热模型的预测结果进行比对得到金属薄膜的热扩散率。他们的这一工作证明了TTR技术是一种非接触式测量微尺度金属薄膜热物性的有效手段。上述工作一发表，立即引发了一系列关于金属和半导体材料更为精细工作的相继开展，这类工作一直延续到今天^[5-30]。

• 1. 本文主要研究目的及研究内容

本文介绍了搭建飞秒激光实验台的过程，并证明了利用TTR技术测量金属薄膜与基底之间界面热导的可行性。首先，本文提出了双波长飞秒激光实验台的光路设计，这种双波长光路设计可以有效地提高信号的信噪比，从而实现对样品表面反射率变化的更加精确的测量。其次，我们提出了两种热学模型分别对实验数据进行拟合与分析，提取出我们所需要的薄膜和基底之间界面热导的值，验证了利用瞬态热反射技术测量薄膜与基底之间的界面热导的可行性。

第二章主要介绍了飞秒激光实验台的搭建、光路的校准方法以及整个实验系统的测量原理。在飞秒激光实验台的搭建方案中，提出了双波长飞秒激光实验台光路的搭建。较之原先改变泵浦光和探测光的偏振方向，通过半波片滤去泵浦光而只对探测光的变化进行分析的方案相比，双波长光路可以通过频率的不同对泵浦光进行过滤，从而可以有效地提高信噪比，实现对样品表面反射率变化的更为精准地测量。第三章我们主要探讨了再分析薄膜与基底的界面热导过程中常用的两种模型，一种是一维无残余时域模型，一种是二维有残余热时（频）域模型。我们对两种模型的精度进行了对比，当样品的径向导热系数远小于轴向导热系数时，二维模型可以退化为一维模型，为薄膜与基底间的界面热导的测量提供了理论依据。第四章，我们利用了先前已经搭建完成的飞秒激光实验台对样品的表面温度变化进行了测量，并详细描述了实验样品的制备以及实验步骤。通过先前推导的模型和已有的样品表面温度变化的数据对样品界面热导进行了计算与分析，并和先前分子动力学模拟所得的数据进行对比分析，探讨了利用瞬态热反射技术测量薄膜与基底之间的界面热导的可行性。第五章我们对飞秒激光实验台的搭建到测量出样品的界面热导的一系列过程进行了总结，并对将来飞秒激光实验台的应用进行了推广和展望。

飞秒激光实验台的搭建

飞秒激光瞬态热反射技术的测量原理

此次对样品界面热导的测量我们采用飞秒激光瞬态热反射技术，在此系统中，我们利用钛-蓝宝石激光器发出的一束载有76MHz脉冲信号的激光经过分束器，分成两束激光。其中一束我们称为泵浦光，另一束为探测光。泵浦光通过一个电光调制器后，被加上一个1MHz调制信号，最后聚焦在样品的表面，使样品温度升高，完成加热过程。探测光经过一个半波片，使光束偏振方向旋转，通过双延时延迟工作台后，最后聚焦在样品加热区域，经过样品表面反射后，进入光电探测器，完成了光电信号的转变。光电探测信号既有调制频率信号也有激光频率信号，为了区分这两种信号，采用一个锁相放大器获得调制频率的信号，从而完成了数据测量工作。飞秒激光瞬态反射系统如图2.1所示。

图2.1 飞秒激光瞬态反射系统配置图^[31]

由于锁相放大器输出的信号是探测光转变为电信号后的幅值和相位信息，这些信息反映了探测光强度的变化情况，而探测光的强度变化是近似正比于样品表面反射率的变化情况，样品表面反射率的变化情况又正比于样品表面温度变化情况。因此，我们通过分析锁相放大器输出信号的大小即可以得到样品表面的温度变化情况。

飞秒激光实验台的搭建方案

根据上节所述的飞秒瞬态热反射技术的测量原理，我们设计了如下总体光路搭建方案。首先利用钛-蓝宝石激光器激发出一束载有76MHz的激光脉冲信号，将该激光脉冲信号通过分束器，使其按能量比分为两束激光脉冲，一束为泵浦光，另一束为探测光，其中探测光的强度约为泵浦光的十分之一。我们将泵浦光通过一个电光调制器，在泵浦光上再加载一个1MHz的调制信号，降低泵浦光脉冲的周期频率，使其信号便于计算机处理。另一方面，我们让探测光通过一个扩束模块，扩大其光斑直径，减小其发散角度，使其在延时工作台移动过程中探测光光斑大小基本保持不变。接着我们让探测光进入倍频模块，通过二次谐波效应在探测光的基础上分别产生800nm波长和400nm波长的激光，通过滤光片滤去800nm波长的探测光从而将探测光转变为单一的400nm波长的激光。这是我们飞秒激光实验室首次采用双波长技术对飞秒激光实验台进行搭建，这么做的好处是在探测光进入光电探测器之前，我们可以选用高选择透过性滤光片将泵浦光进行彻底滤除，而使用偏振法对泵浦光进行滤除所带来的问题是由于样品表面不可避免的具有一定的粗糙度，因此当具有一定方向偏振的泵浦光照射在样品表面后，或发生漫反射而导致泵浦光的偏振方向发生改变，从而用偏振片对泵浦光进行过滤时留有一定的泵浦光残余，影响实验的精度。经过倍频模块后的探测光通过延时工作台实现时间的延时控制。我们使用了两个60cm延时工作台，并采用了双反射延时工作台光路设计，实现可测信号时间长度为8纳秒，拓宽了可观测的时间范围的同时也大大提高了样品热物性测量的精度。

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