[发明专利]一种基于VO2

说明书

本发明属于薄膜材料热导率测试领域，提供一种基于VO₂薄膜的薄膜热导率测量装置及方法，用以解决现有测试系统中金属探测层反射率变化对温度的变化不够灵敏的问题。本发明测量装置中采用VO₂薄膜作探测层，利用VO₂薄膜相变的特性，当VO₂薄膜达到了相变温度后，在相变温度区域，其反射率随温度的变化线性度非常好，且反射率对温度的变化非常灵敏，能够达到百分之五十以上，从而极大地降低了测量装置中光强探测器的灵敏度要求，大幅度降低了设备制造成本；同时极大提高薄膜热导率测量的精确度，尤其适用于纳秒级热反射系统NanoTR。

技术领域

本发明属于薄膜材料热导率测试领域，具体涉及一种基于VO₂薄膜的薄膜热导率测量装置及方法。

背景技术

热物性是纳米材料的基础物性，微纳米尺度下材料的热导率、热扩散率、热阻等参数的测量和表征是研究微观尺度热输运性质的重要手段。对于集成度成倍增加的现代集成电路及微型传感器件而言，器件内部的散热性能日益成为制约电路及器件性能的主要因素之一，散热不良而引起的热量累积最终往往导致器件的失效。因此，获得器件结构单元以及构成结构单元的各功能薄膜的热学性能参数，特别是热导参数，就显得十分必要；必须对各功能薄膜的热导率(κ)进行精确的测量，从而对支撑结构设计和器件性能预测提供参考。

目前应用于微纳米尺度热测量的方法主要有接触式和非接触式两种；接触式测量方法的典型代表主要有周期加热法、3ω法、悬空热导法和短线法；非接触式测量方法的典型代表主要是基于激光光热技术的闪光法、光热反射法、光声法等。非接触式测量方法由于实现了对样品的热输运性质快捷且较精确的测量而受到欢迎，作为非接触式热测量技术的闪光法和光热反射法，还可以有效测量亚微米尺度薄膜垂直方向的热扩散率；而其中的光热反射法结合纳秒/皮秒/飞秒激光器对于微纳米材料的热输运的研究已经日趋成熟，并且已经制造出相关的热分析系统设备，如日本PicoTherm公司生产的纳秒级热反射系统NanoTR。基于光热反射法，通过超高速激光闪射系统，可迅速直观得出基片上金属、陶瓷、聚合物薄膜的热物性参数，例如热扩散系数(Thermal Diffusivity)、热导率(ThermalConductivity)、蓄热系数(Thermal Effusivity)和界面热阻等。

而使用光热反射法或者纳秒级热反射系统NanoTR，其工作原理是在待测薄膜表面镀一层金属层作为sensor，利用金属薄膜的反射率随温度变化是线性的这一性质，当一束强度经周期性调制的激光入射到样品表面时，通过测量金属薄膜表面反射激光的强度变化，从而测量材料的温度变化。但是由于金属薄膜的反射率变化对温度的变化不够灵敏，其反射率随温度的变化只有百分之一左右，从而大大增加了光强探测器灵敏度的要求，进一步增加了设备成本，且放大了误差了。因此，本发明提供一种基于VO2薄膜的薄膜热导率测量装置及方法，用以解决这一问题。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的问题，提出了一种基于VO₂薄膜做探测层的用于薄膜热导率测量装置及其测量方法。本发明提供样品装置利用了VO₂薄膜相变的特性，当 VO₂薄膜达到了相变温度后，在相变温度区域，其反射率随温度的变化线性度非常好，且反射率对温度的变化非常灵敏，极大的降低了光强探测器的灵敏度要求，并且在一定程度上减小薄膜热导率上的测量误差。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于VO₂薄膜的薄膜热导率测量装置，包括待测样品、加热激光源、检测激光源及光强探测器；其特征在于，所述待测样品包括由下往上依次层叠的陶瓷加热片、基片、待测薄膜及VO₂薄膜探测层，所述陶瓷加热片与电源相连用于加热VO₂薄膜探测层；所述加热激光源发出加热激光照射VO₂薄膜探测层表面，所述检测激光源发出检测激光经过VO₂薄膜探测层表面反射进入光强探测器。