一種基於微納螢光顆粒的薄膜熱導率測量方法與流程

2023-06-07 08:57:41

本發明屬於微納米尺度熱係數測量領域，特別是涉及一種基於微納螢光顆粒的薄膜熱導率測量方法。

背景技術：

在微電子等高科技領域中，薄膜材料在mems以及微電子器件設計以及製作過程中不可或缺，而薄膜材料的熱導率、比熱和熱擴散率等熱參數性能對決定器件以及集成電路的散熱性能。隨著集成電路小型化以及高度集成化，薄膜材料的熱導率直接影響器件的熱噪聲進而影響其集成電路運行的速度以及可靠性，因此薄膜材料的熱導率測量具有重要意義。

薄膜熱導率測量方法中較為成熟的方法為cahill所發明的3ω法(cahilldg.thermalconductivitymeasurementfrom30to750k:the3ωmethod[j].reviewofscientificinstruments,1990,61(2):802-808.)，該方法是通過在薄膜上度金屬層，利用微/納米薄膜材料導熱引起加熱器電信號的變化來檢測其熱導率。這種方法能夠測量尺寸極小的薄膜樣品且能有效減小黑體輻射引起的測量誤差，同時不直接測量溫度變化而是通過測量材料在導熱過程中溫度的變化轉換為的電信號的變化來實現微/納米薄膜材料的熱導率。但是3ω法未考慮金屬層與待測膜的界面熱阻、膜的各向異性以及金屬條形狀厚度對測量結果都有較大的影響，同時在光刻金屬層過程可能會對膜造成損傷，產生缺陷，對聲子的散射影響較大，降低材料的熱導率。perichon等人提出了基於顯微拉曼(raman)光譜的薄膜熱導率測量方法(perichons,lysenkov,remakib,etal.measurementofporoussiliconthermalconductivitybymicro-ramanscattering[j].journalofappliedphysics,1999,86(8):4700-4702.)，其原理主要基於raman光譜效即：使用雷射束照射被測試樣，會在照射處引起試樣的局部溫升，該溫升與試樣的熱導率直接相關，同時被測試樣的raman譜峰位置與試樣的溫度有對應關係。該方法採用光學方法測量薄膜表面熱導率，對待測薄膜不產生損傷。基於顯微raman法測量薄膜熱導率測量不同薄膜材料都得重新標定待測薄的膜raman譜峰位移量與溫度的關係，且該方法只能用於測量拉曼峰位置與溫度有著一定規律關係的薄膜材料熱導率，局限性較大。

針對現有薄膜熱導率測量方法的問題，本發明通過在薄膜表面引入微納螢光顆粒作為溫度傳感器，可以實現薄膜熱導率無損、精確測量。利用溫度與受激的關係發光性能，通過光譜分析技術實現微納螢光顆粒溫度傳感器功能，由於微納螢光顆粒的粒徑較小(一般在1-10nm)因此可以用於微納尺度物體以及生物細胞的溫度測量，在測量中微納螢光顆粒由於粒徑小同時可以很好的貼合在被測物體上對測量結果產生的界面溫度差可以忽略不計且對被測物體無熱擾動使得被測物體溫度測量的結果精度很高，該方法彌補了3ω法以及raman光譜的不足，能夠更加精確測量薄膜表面溫度同時降低了測量時的界面溫差對結果的影響。

技術實現要素：

鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種基於微納螢光顆粒的薄膜熱導率測量方法，用於解決現有技術中3ω法測量薄膜熱導率時界面熱阻、膜的各向異性以及金屬條形狀厚度和薄膜損傷等對熱導率造成影響以及利用顯微raman法測量局限性大等的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種基於微納螢光顆粒的薄膜熱導率測量方法，其特徵在於，所述測量方法至少包括：

提供微納螢光顆粒，加熱所述微納螢光顆粒，通過測量所述微納螢光顆粒pl譜特徵峰位移與溫度變化的關係，確定溫度係數；

將待測薄膜置於襯底上，並在所述待測薄膜表面放置吸收熱源和所述微納螢光顆粒；

利用雷射照射所述待測薄膜，通過測量所述微納螢光顆粒的pl譜特徵峰位移與雷射功率變化的關係，確定關係斜率；

最後結合所述吸收熱源的光功率吸收係數以及所述待測薄膜的形狀特徵參數，實現薄膜熱導率的測量。

優選地，所述測量方法具體包括如下步驟：

1-1)提供一襯底，所述襯底上放置懸空寬度為w、厚度為h的待測薄膜，並在所述待測薄膜表面放置一吸收熱源和兩個距離為l的微納螢光顆粒；

1-2)利用加熱模塊加熱兩個所述微納螢光顆粒，設定加熱模塊的溫度，測量在不同溫度下所述微納螢光顆粒的pl譜，確定所述微納螢光顆粒的溫度係數χ＝δλ/δt，其中，δλ為所述微納螢光顆粒特徵峰隨溫度變化的位移變化量，δt為溫差值；

1-3)利用雷射照射所述待測薄膜，通過所述吸收熱源吸收雷射能量產生熱量，使所述待測薄膜表面所述微納螢光顆粒位置產生溫升，改變入射雷射的功率，測量其中一個微納螢光顆粒的pl光譜特徵峰的位移隨雷射功率變化的線性關係，確定兩者之間的關係斜率ω，ω＝δλ/δp，其中，δp為入射雷射功率的變化量，δλ為不同入射雷射功率下微納螢光顆粒pl光譜特徵峰的位移變化量；

1-4)最後根據熱導率公式k＝(αχ/ω)*(wh/l)-1，獲得所述待測薄膜的熱導率，α為所述吸收熱源的光功率吸收係數。

所述測量方法具體包括如下步驟：

2-1)提供一襯底，所述襯底上放置懸空寬度為w、懸空長度為l、厚度為h的待測薄膜，並在所述待測薄膜表面放置一吸收熱源和一微納螢光顆粒；

2-2)利用加熱模塊加熱所述微納螢光顆粒至特定溫度，測量所述微納螢光顆粒的pl光譜，根據該溫度下的pl光譜和室溫下所述微納螢光顆粒的pl光譜，確定所述微納螢光顆粒pl光譜特徵峰的位移與溫度之間的線性關係，從而確定所述微納螢光顆粒的溫度係數χ，χ＝δλ/δt，其中，δλ為兩個溫度下所述微納螢光顆粒特徵峰的位移變化量，δt為溫差值；

2-3)改變入射雷射的功率，根據雷射功率與所述微納螢光顆粒pl光譜特徵峰的位移的線性關係，確定兩者之間的關係斜率ω，ω＝δλ/δp，其中，δp為入射雷射功率的變化量，δλ為不同入射雷射功率下所述微納螢光顆粒pl光譜特徵峰的位移變化量；

2-4)最後根據熱導率公式k＝(αχ/ω)*(wh/l)-1，獲得所述待測薄膜的熱導率，α為所述吸收熱源的光功率吸收係數。

優選地，所述測量方法具體包括如下步驟：

3-1)提供一襯底，所述襯底上放置懸空寬度為w、厚度為h的待測薄膜，並在所述待測薄膜表面放置一吸收熱源和和n個微納螢光顆粒，其中各個量子點的距離分別為l11，l12，l13……lxy，其中x，y表示第x個微納螢光顆粒與y微納螢光顆粒之間的距離，其中x與y都小於n，n＞2。

3-2)利用加熱模塊加熱所述微納螢光顆粒，設定加熱模塊的溫度，測量在不同溫度下微納螢光顆粒的pl譜，確定微納螢光顆粒的溫度係數χ＝δλ/δt，其中，δλ為微納螢光顆粒特徵峰隨溫度變化的位移變化量，δt為溫差值；

3-3)利用雷射照射所述待測薄膜，通過吸收熱源吸收雷射能量產生熱量，使所述待測薄膜表面微納螢光顆粒位置產生溫升，改變入射雷射的功率，測量其中一個微納螢光顆粒的pl光譜特徵峰的位移隨雷射功率變化的線性關係，確定兩者之間的關係斜率ω，ω＝δλ/δp，其中，δp為入射雷射功率的變化量，δλ為不同入射雷射功率下微納螢光顆粒pl光譜特徵峰的位移變化量；

3-4)最後根據熱導率公式kxy＝(αχ/ω)*(wh/lxy)-1，獲得待測薄膜的熱導率，α為所述吸收熱源的光功率吸收係數，其中kxy為第x個微納螢光顆粒與y微納螢光顆粒之間的距離範圍內的薄膜熱導率。

優選地，加熱所述微納螢光顆粒的方式可以為雷射加熱或者原子探針式加熱。

優選地，所述吸收熱源為碳顆粒、微液滴、量子點或量子團簇。

優選地，所述雷射光斑的直徑為所述待測薄膜尺寸的1/10～1/100。

優選地，所述待測薄膜以懸空或者非懸空方式放置在所述襯底上。

優選地，所述待測薄膜若以懸空方式放置在所述襯底上，所述襯底具有凹槽，所述待測薄膜懸空在所述襯底的凹槽上。

優選地，所述微納螢光顆粒包括pbse、cdse、cdte、cdse/zns、znse、pbs/cds、ag2te、inp/zns、zncuins/znse/zns、石墨烯量子點或量子團簇中的一種或多種的組合。

如上所述，本發明的基於微納螢光顆粒的薄膜熱導率測量方法，具有以下有益效果：

1、在薄膜熱導率測量中首次引入微納螢光顆粒，以微納螢光顆粒作為溫度傳感器，由於其粒徑小同時可以很好的貼合在被測物體上對測量結果產生的界面溫度差可以忽略不計且對被測物體無熱擾動對測量結果不、無熱擾動，重複性好。

2、測量中主要通過光學方法來實現，不會對樣品造成損傷，且在測量時無需對樣品進行結構上的加工避免制樣上的繁瑣。

3、薄膜熱導率測量過程中只需一次標定微納螢光顆粒pl譜峰位移量與溫度的關係，且微納螢光顆粒溫度線性關係良好，使在熱導率測量過程中溫度的確定更為方便、更為精確。

4、基於微納螢光顆粒的薄膜熱導率測量系統對所測量的薄膜種類沒有限制。

5、基於微納螢光顆粒的薄膜熱導率測量系統降低熱對流對測量結果的影響。

附圖說明

圖1為本發明微納螢光顆粒的薄膜熱導率測量方法的流程示意圖。

圖2為本發明一個實施例中樣品結構模塊的結構示意圖。

圖3為本發明另一個實施例中樣品結構模塊的結構示意圖。

元件標號說明

23襯底

24吸收熱源

25、251、252微納螢光顆粒

26待測薄膜

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。

本發明提供一種基於微納螢光顆粒的薄膜熱導率測量方法，如圖1所示流程圖，所述測量方法至少包括如下步驟：

首先執行步驟s1，提供微納螢光顆粒，加熱所述微納螢光顆粒，通過測量所述微納螢光顆粒pl譜特徵峰位移與溫度變化的關係，確定溫度係數。

所述微納螢光顆粒可以放置在待測薄膜上加熱，也可以直接放置在襯底上加熱，也可以放置在其他合適的支撐體上加熱，在此不限。當將所述微納螢光顆粒直接置於襯底表面進行加熱測量時，這種實施方式可以避免當待測薄膜較薄時加熱對薄膜造成的損傷。

本步驟中，加熱所述微納螢光顆粒的方式不限，可以為雷射加熱或者原子探針式加熱，當然還可以是其他任何合適的加熱方式，只要能對所述微納螢光顆粒加熱即可。其中的原子探針式加熱是利用電加熱產生焦耳熱，再通過探針與微納螢光顆粒接觸將熱量傳導至微納螢光顆粒，實現加熱。

對於所述微納螢光顆粒本身的要求是，微納螢光顆粒的pl光譜(光致發光光譜)特徵峰的位置與溫度需要具有良好的線性關係，例如，可以是pbse、cdse、cdte、cdse/zns、znse、pbs/cds、ag2te、inp/zns、zncuins/znse/zns、或石墨烯量子點或量子團簇中的一種或多種的組合，當然，本發明的微納螢光顆粒也可以是非量子點，在此不做限制。

本發明的微納螢光顆粒可以很好的貼合在被測物體上，對測量結果產生的界面溫度差可以忽略不計且對被測物體無熱擾動對測量結果不、無熱擾動，重複性好。

另外，用來確定微納螢光顆粒溫度係數時，微納螢光顆粒可以是一個、兩個或者兩個以上。

在一個實施例中，微納螢光顆粒為一個。利用加熱模塊加熱所述微納螢光顆粒至特定溫度，測量微納螢光顆粒的pl光譜，根據該溫度下的pl光譜和室溫下微納螢光顆粒的pl光譜，確定所述微納螢光顆粒pl光譜特徵峰的位移與溫度之間的線性關係，從而確定微納螢光顆粒的溫度係數χ，χ＝δλ/δt，其中，δλ為兩個溫度下微納螢光顆粒特徵峰的位移變化量，δt為溫差值。

具體地，如圖3所示，微納螢光顆粒25在中低溫條件下其pl譜特徵峰的位移與溫度有著很好的線性關係，線性關係可以表示為λ＝χ*t+a，a為常數，χ為溫度係數，所以溫差值δt＝t1-t2＝(λ1-λ2)/χ＝δλ/χ，其中t1為待測薄膜26表面微納螢光顆粒25加熱後溫度，t2為室溫，λ1是待測薄膜表面微納螢光顆粒25位置溫度為t1時微納螢光顆粒25的pl譜特徵峰的位置，λ2是待測薄膜1表面微納螢光顆粒25在室溫t2時的pl譜特徵峰的位置。因此，微納螢光顆粒25的溫度係數χ可以通過溫度以及微納螢光顆粒25的pl光譜確定。

在另一個實施例中，微納螢光顆粒可以是兩個。利用加熱模塊加熱兩個微納螢光顆粒，設定加熱模塊的溫度，測量在不同溫度下微納螢光顆粒的pl譜，確定微納螢光顆粒的溫度係數χ＝δλ/δt，其中，δλ為微納螢光顆粒特徵峰隨溫度變化的位移變化量，δt為溫差值。

具體地，如圖2所示，微納螢光顆粒在中低溫條件下其pl譜特徵峰的位移與溫度有著很好的線性關係，線性關係可以表示為λ＝χ*t+a，a為常數，χ為溫度係數，所以兩處的溫差值δt＝t1-t2＝(λ1-λ2)/χ＝δλ/χ，其中t1為待測薄膜26表面微納螢光顆粒251位置的溫度，t2為待測薄膜表面微納螢光顆粒252位置的溫度，λ1是待測薄膜表面微納螢光顆粒251位置溫度為t1時微納螢光顆粒251的pl譜特徵峰的位置，λ2是待測薄膜1表面微納螢光顆粒252位置溫度為t2時微納螢光顆粒252的pl譜特徵峰的位置。因此，微納螢光顆粒251、252的溫度係數χ可以通過溫度以及兩處微納螢光顆粒251、252的pl光譜確定。

在又一實施例中，微納螢光顆粒可以是兩個以上，即多個。利用加熱模塊加熱所述微納螢光顆粒，設定加熱模塊的溫度，測量在不同溫度下微納螢光顆粒的pl譜，確定微納螢光顆粒的溫度係數χ＝δλ/δt，其中，δλ為微納螢光顆粒特徵峰隨溫度變化的位移變化量，δt為溫差值。

本步驟的主要目的就是確定微納螢光顆粒的溫度係數。

然後執行步驟s2，將待測薄膜置於襯底上，並在所述待測薄膜表面放置吸收熱源和所述微納螢光顆粒。

所述待測薄膜可以以懸空或者非懸空方式放置在所述襯底上。如圖2和3所示襯底，所述襯底23可以是凹槽襯底，則所述待測薄膜26懸空在所述襯底23的凹槽上，這樣可以對待測薄膜本身進行熱導率測量。所述待測薄膜也可以直接放置在平面襯底上，進行綜合有效熱特性的測量。

所述吸收熱源可以為碳顆粒、微液滴、量子點或量子團簇等等，在此不限，只要與待測薄膜有很好的熱接觸並且具有已知的光功率吸收係數的都行。

接著執行步驟s3，利用雷射照射所述待測薄膜，通過測量所述微納螢光顆粒的pl譜特徵峰位移與雷射功率變化的關係，確定關係斜率。

具體地，利用雷射照射所述待測薄膜，通過吸收熱源吸收雷射能量產生熱量，使所述待測薄膜表面微納螢光顆粒位置產生溫升，改變入射雷射的功率，測量其中一個微納螢光顆粒的pl光譜特徵峰的位移隨雷射功率變化的線性關係，確定兩者之間的關係斜率ω，ω＝δλ/δp，其中，δp為入射雷射功率的變化量，δλ為不同入射雷射功率下微納螢光顆粒pl光譜特徵峰的位移變化量。

需要說明的是，既可以先測量獲得微納螢光顆粒的溫度係數χ，再測量獲得係數ω；也可以先測量獲得係數ω，再測量獲得溫度係數χ，在此不限制測量順序。

在本步驟中，優選地，所述雷射光斑的直徑為所述待測薄膜尺寸的1/10～1/100。

最後執行步驟s4，結合所述吸收熱源的光功率吸收係數以及所述待測薄膜的形狀特徵參數，實現薄膜熱導率的測量。

本步驟中，根據熱導率公式k＝(αχ/ω)*(wh/l)-1，獲得待測薄膜的熱導率，α為所述吸收熱源的光功率吸收係數。

具體推導如下：

從待測薄膜的熱導g定義式出發，其公式推導如下：

g＝k*wh/l＝αδp/δt，由此，

k＝(αδp/δt)/(wh/l)

其中，上式中k為待測薄膜的熱導率，α是吸收熱源的光功率吸收係數，δp是入射雷射變化量，αδp為待測薄膜吸收的功率差值，δt為溫差值，w為待測薄膜懸空寬度，h為厚度，l為懸空長度或者兩處微納螢光顆粒之間的距離。當微納螢光顆粒為多個時，公式中的l為lxy，表示第x個微納螢光顆粒與y微納螢光顆粒之間的距離，測出來的熱導率k則為第x個微納螢光顆粒與y微納螢光顆粒之間的距離範圍內的薄膜熱導率。

將δt＝t1-t2＝(λ1-λ2)/χ＝δλ/χ代入上式可以得到：k＝χ*(δλ/αδp)-1/(wh/l)，在該公式中含有δλ/δp，由於在同一環境溫度條件下薄膜材料的熱導g＝αδp/δt基本不發生改變，所以吸收功率差值αδp與溫差δt的比值是不變的，由δt＝δλ/χ可以推出αδp與δλ也是線性關係。因此，通過改變入射雷射的功率p，再測量待測薄膜表面微納螢光顆粒的pl譜特徵位移關係可以確定δλ/δp的關係斜率值ω，最後，其熱導率公式簡化為：k＝αχ/ω*(wh/l)-1，其中的χ和ω值由步驟s1和s3的方法來測量確定，α是已知常數。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。