飞秒激光抽运探测法纳米材料及界面热输运机理研究

论文摘要

本文建立双波长飞秒激光抽运探测热反射系统（TDTR）实现对纳米材料及界面热输运性质的研究。该系统中应用倍频模块将800 nm激光倍频为400 nm用作探测光。具有双波长设计的抽运探测系统,在探测光进入探测器之前,可以使用高选择透过性滤光片将抽运光彻底滤除。窄带滤光片滤除抽运光的效率可以达到10-9,大大优于应用偏振方法的10-3至10-4的滤除效率,从而从根本上解决常规单波长系统中信噪比过低的难题,可以大幅提高测量精度,实现对样品表面反射率变化的更精确测量。同时,这种双波长的设计使得激光聚焦到样品时的光路可以采取探测光与抽运光共线的设计,这样可以保证两束激光在聚焦到样品表面时都为圆形光斑,对后期数据处理带来方便,并使得调节两束光聚焦光斑重合更加容易。利用该实验系统,在低能量激光脉冲激发条件下,对金膜中的热输运过程进行了实验研究。在此实验研究中,最高电子温升不超过10K,这与文献中的测量的测量过程中电子温升为102～103K的情况相比,极大减小了温度变化的影响,所以测量结果应更接近真实值。将测量信号与抛物两步模型（PTS）相对比得到了金膜的电-声子耦合系数。测量了各种纳米薄膜材料的热导率,包括SiO2,高分子聚合物及单分子层沉积膜（MLD）。结果显示,在几十到几百纳米厚度下,SiO2薄膜没有明显尺寸效应；MLD薄膜的热导率会随厚度的增加而增大。将TDTR的应用扩展到对微米结构材料的表面热物性的扫描探测,可以较有效的实现微米量级空间分辨热成像。建立了频域飞秒激光抽运探测热反射系统（FDTR）,并被成功用于测量不同厚度SiO2纳米薄膜的热导率及SiO2与Si之间的界面热导。FDTR的测量结果与TDTR的测量结果相符合,但是只需要比后者更为简单的光路调试过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 引言
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.1.1 热输运过程的微观机理
• 1.1.2 极限时空尺度热输运过程的新现象
• 1.1.3 应用中的新问题、新挑战
• 1.2 国内外研究发展现状
• 1.2.1 飞秒-皮秒时间尺度非平衡热过程的观测
• 1.2.2 纳米结构材料热物性的测量
• 1.2.3 界面热阻的测量
• 1.2.4 微纳尺度热物性扫描技术
• 1.3 本文主要研究目的及研究内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 第2章 测量原理及传热模型
• 2.1 测量原理
• 2.2 两步热传导模型
• 2.3 柱坐标下傅里叶热传导模型
• 2.3.1 周期热源条件下的热传导模型
• 2.3.2 锁相放大器得到的响应信号
• 2.3.3 信号敏感度分析方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 飞秒激光抽运探测热反射系统的建立
• 3.1 飞秒激光抽运探测热反射系统总体设计方案
• 3.2 主要仪器及模块
• 3.2.1 飞秒脉冲激光器
• 3.2.2 电光调制器
• 3.2.3 锁相放大器
• 3.2.4 分光模块
• 3.2.5 倍频模块
• 3.2.6 聚焦及探测模块
• 3.2.7 系统控制及数据采集软件
• 3.2.8 圆柱透镜组
• 3.3 系统的调试
• 3.3.1 光路调试
• 3.3.2 激光光谱及脉冲宽度测量
• 3.3.3 锁相放大器积分时间的设定
• 3.3.4 光斑直径测量
• 3.3.5 滤除高频分量及增加信噪比
• 3.5 本章小结
• 第4章 纳米材料热导率及界面热导测量
• 4.1 纳米金属薄膜的测量
• 4.1.1 Au膜
• 4.1.2 Ni膜
• 4.1.3 W膜
• 4.1.4 Al膜
• 4.2 双层结构的测量结果
• 4.3 非金属纳米薄膜的测量结果与分析
• 4.3.1 二氧化硅薄膜
• 4.3.2 高分子聚合物薄膜
• 4.3.3 单分子层沉积高分子聚合物薄膜
• 4.4 纳米线阵列的测量结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 微米结构材料热物性扫描
• 5.1 基于TDTR技术的热物性扫描方法
• 5.2 铜、锡样品
• 5.2 二氧化硅、硅样品
• 5.3 本章小结
• 第6章 频域方法的分析与测量结果
• 6.1 时域方法的敏感度分析
• 6.2 频域方法的敏感度分析
• 6.3 频域方法对纳米薄膜的测量结果
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文研究总结
• 7.2 创新点
• 7.3 未来工作展望
• 主要符号表
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文与专利目录
• 专利
• 致谢