一種基于拉曼散射的應(yīng)力作用下薄膜材料熱導(dǎo)率的測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于拉曼散射的應(yīng)力作用下薄膜材料熱導(dǎo)率的測(cè)量方法。該方法的工作原理是：在柔性基底上附著懸空的薄膜材料，然后對(duì)薄膜材料施加沿面內(nèi)方向的外力，通過控制外力大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜材料的應(yīng)力調(diào)制。利用薄膜材料拉曼光譜對(duì)于材料溫度的快速響應(yīng)特性，可以獲得不同應(yīng)力作用下薄膜材料的熱導(dǎo)率。該方法可以測(cè)得不同應(yīng)力作用下薄膜材料的熱導(dǎo)率，可用來研究微尺度下材料熱導(dǎo)率與所受應(yīng)力的關(guān)系。
【專利說明】一種基于拉曼散射的應(yīng)力作用下薄膜材料熱導(dǎo)率的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于拉曼散射的應(yīng)力作用下微尺度薄膜材料熱導(dǎo)率的測(cè)量方法。本發(fā)明屬微納機(jī)械和傳熱學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]早在上世紀(jì)五十年代，微電子領(lǐng)域先驅(qū)者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，加工半導(dǎo)體過程中的許多步驟會(huì)在器件的構(gòu)造內(nèi)產(chǎn)生不可避免的應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)引起微電子器件發(fā)生災(zāi)難性失效。后來，研究者們發(fā)現(xiàn)，納米尺度下的應(yīng)力可用來增強(qiáng)材料的特殊物理性能，例如，應(yīng)力作用下硅材料內(nèi)載流子遷移率的增大，使得應(yīng)變硅技術(shù)已成為最新一代晶體管和電子器件的集成特征。當(dāng)今納米【技術(shù)領(lǐng)域】里，研究機(jī)械應(yīng)力對(duì)器件物理性能的影響，已成為提高器件性能的必要步驟。
[0003]在體態(tài)宏觀尺度，較小的機(jī)械應(yīng)力通常不會(huì)改變材料的熱導(dǎo)率，但是，當(dāng)材料的特征尺寸減小到與電子和聲子的平均自由程相當(dāng)時(shí)，機(jī)械應(yīng)力將會(huì)影響到材料的熱學(xué)性能。采用機(jī)械應(yīng)力調(diào)節(jié)材料的熱導(dǎo)率，不但可以有助于解決電子學(xué)領(lǐng)域里遇到的熱管理問題，而且針對(duì)機(jī)械應(yīng)變對(duì)納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)影響的充分研究有利于納米結(jié)構(gòu)的可重復(fù)性熱表征和熱設(shè)計(jì)。
[0004]應(yīng)力引起晶體晶格變形，即產(chǎn)生應(yīng)變。測(cè)量局部晶格變形，也可以推斷出局部應(yīng)力。測(cè)量材料熱導(dǎo)率和所受應(yīng)力的方法有多種，但現(xiàn)有方法都難以完成對(duì)材料熱導(dǎo)率和所受應(yīng)力的同時(shí)測(cè)量。拉曼光譜儀是研究材料特性的一種重要的無損工具，已被成功用于研究低維納米材料的物理特性。探索聲子頻率變化是評(píng)價(jià)一種材料在外加應(yīng)變或應(yīng)力下沿著某給定軸線應(yīng)變轉(zhuǎn)移程度的一種有效途徑，同時(shí)，拉曼光譜儀又可應(yīng)用于低維納米材料導(dǎo)熱性能的測(cè)試。拉曼光譜技術(shù)是研究熱應(yīng)力耦合的一個(gè)理想工具，因?yàn)樗苤苯犹綔y(cè)到聲子振動(dòng)，對(duì)局部的應(yīng)力和熱學(xué)特性非常敏感。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]技術(shù)問題:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)易而又實(shí)用的應(yīng)力作用下薄膜材料熱導(dǎo)率的測(cè)量方法。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明基于拉曼散射的應(yīng)力作用下薄膜材料熱導(dǎo)率的測(cè)量方法是:利用柔性基底對(duì)樣品施加應(yīng)力，利用拉曼散射測(cè)量薄膜材料的熱導(dǎo)率，該方法具體包括:
[0007]采用激光器輸出533納米波長(zhǎng)激光；
[0008]激光器輸出的533納米波長(zhǎng)激光通過分光鏡，將533納米波長(zhǎng)激光分為二束光，第一束光用于激發(fā)拉曼散射入射應(yīng)力施加系統(tǒng)中的樣品；第二束光用于信號(hào)采集，作為參照光入射反射鏡；
[0009]其中，第二束光采用反射鏡以及分光鏡改變參照光光路方向；用于激發(fā)拉曼散射的第一束光照射到樣品后，經(jīng)過分光鏡進(jìn)入拉曼探測(cè)器；[0010]由拉曼探測(cè)器采集拉曼信號(hào)，采集時(shí)關(guān)閉光學(xué)圖像采集器，其中光學(xué)圖像采集器所用光為自然光；
[0011]由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析處理采集得到的拉曼信號(hào)。
[0012]所述利用柔性基底對(duì)樣品施加應(yīng)力的方法為:在柔性基底上加工微米大小直徑的孔，再將待測(cè)的樣品轉(zhuǎn)移到柔性基底上，并保證樣品覆蓋柔性基底上的孔。
[0013]所述對(duì)樣品施加應(yīng)力，是通過對(duì)柔性基底兩端進(jìn)行機(jī)械拉伸，從而對(duì)樣品施加機(jī)械應(yīng)力。
[0014]有益效果:本發(fā)明所提供應(yīng)力作用下薄膜材料熱導(dǎo)率的測(cè)量方法有其獨(dú)特有益效果，具體優(yōu)點(diǎn)如下:
[0015]1.本發(fā)明無需對(duì)樣品進(jìn)行加工處理，所獲得樣品的純度高，結(jié)果可靠性強(qiáng)；
[0016]2.本發(fā)明成本較低、操作簡(jiǎn)單易行，適合大量實(shí)驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)高；
[0017]3.本方法可測(cè)得同一樣品在不同應(yīng)力作用下的熱導(dǎo)率，測(cè)量精度高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖。其結(jié)構(gòu)包括:激光器1，分光鏡2，反射鏡3，應(yīng)力施加系統(tǒng)4，柔性基底5，樣品6，分光鏡7，拉曼探測(cè)器8，光學(xué)圖像采集器9，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)10。
【具體實(shí)施方式】
[0019]該熱導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)的系統(tǒng)如圖1所示，其系統(tǒng)包括:
[0020]激光器I用于輸出533納米波長(zhǎng)激光；
[0021]分光鏡2用于將533納米波長(zhǎng)激光分為2束，一束用于激發(fā)拉曼散射，一束用于信號(hào)采集時(shí)作為參照光；
[0022]反射鏡3用于改變參照光光路方向；
[0023]應(yīng)力施加系統(tǒng)4用于在柔性基底上施加單方向機(jī)械應(yīng)力，包括光學(xué)可調(diào)狹縫及螺旋測(cè)微頭；
[0024]柔性基底5作為被測(cè)樣品的基底，并將所受機(jī)械應(yīng)力傳遞給被測(cè)樣品；
[0025]樣品6待測(cè)樣品；
[0026]分光鏡7用于設(shè)置樣品反射光束光路，白光束用于光學(xué)成像，拉曼激光束用于拉曼信號(hào)采集；
[0027]拉曼探測(cè)器8用于采集測(cè)得的拉曼信號(hào)；
[0028]光學(xué)圖像采集器9用于采集測(cè)量的光學(xué)圖像；
[0029]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)10用于數(shù)據(jù)分析處理；
[0030]其理論模型溫度變化趨勢(shì)包括:
[0031]從中心點(diǎn)開始的懸置樣品區(qū)域的溫度Tm，其溫度變化由懸置樣品面內(nèi)方向的熱導(dǎo)率Ks引起，
[0032]有基底支撐樣品區(qū)域的溫度T。，其溫度變化的來源可分為有基底支撐樣品區(qū)域的面內(nèi)方向的熱導(dǎo)率K。和有基底支撐樣品區(qū)域與金屬熱槽間的界面熱導(dǎo)g。
[0033]此外，[0034]Q代表入射激光總強(qiáng)度。
[0035]!Tci代表在樣品表面的激光束半徑。
[0036]t代表樣品厚度。
[0037]R代表樣品懸置部分的孔徑。
[0038]T1代表邊界初始溫度。
[0039]Ei (X)代表對(duì)于X的指數(shù)積分。
[0040]由此可得懸置樣品的熱擾動(dòng)方程:
【權(quán)利要求】
1.一種基于拉曼散射的應(yīng)力作用下薄膜材料熱導(dǎo)率的測(cè)量方法，其特征在于，利用柔性基底(5)對(duì)樣品施加應(yīng)力，利用拉曼散射測(cè)量薄膜材料的熱導(dǎo)率，該方法具體包括: 采用激光器(I)輸出533納米波長(zhǎng)激光； 激光器(I)輸出的533納米波長(zhǎng)激光通過分光鏡(2)，將533納米波長(zhǎng)激光分為二束光，第一束光用于激發(fā)拉曼散射入射應(yīng)力施加系統(tǒng)(4)中的樣品(6);第二束光用于信號(hào)采集，作為參照光入射反射鏡(3)； 其中，第二束光采用反射鏡(3)以及分光鏡(7)改變參照光光路方向；用于激發(fā)拉曼散射的第一束光照射到樣品(6)后，經(jīng)過分光鏡(7)進(jìn)入拉曼探測(cè)器(8); 由拉曼探測(cè)器(8)采集拉曼信號(hào)，采集時(shí)關(guān)閉光學(xué)圖像采集器(9)，其中光學(xué)圖像采集器(9)所用光為自然光； 由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(10)分析處理采集得到的拉曼信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于拉曼散射的應(yīng)力作用下薄膜材料熱導(dǎo)率的測(cè)量方法，其特征在于所述利用柔性基底(5)對(duì)樣品施加應(yīng)力的方法為:在柔性基底(5)上加工微米大小直徑的孔，再將待測(cè)的樣品(6)轉(zhuǎn)移到柔性基底(5)上，并保證樣品覆蓋柔性基底(5)上的孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于拉曼散射的應(yīng)力作用下薄膜材料熱導(dǎo)率的測(cè)量方法，其特征在于所述對(duì)樣品施加應(yīng)力，是通過對(duì)柔性基底(5)兩端進(jìn)行機(jī)械拉伸，從而對(duì)樣品(6)施加機(jī)械應(yīng)力。
【文檔編號(hào)】G01N21/65GK103776814SQ201410042370
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月28日
【發(fā)明者】畢可東, 趙偉瑋, 陳偉宇, 倪振華, 陳云飛 申請(qǐng)人:東南大學(xué)