同時測量單根微納米線材雷射吸收率和熱導率的方法

2023-07-15 01:36:51 1

專利名稱：同時測量單根微納米線材雷射吸收率和熱導率的方法
技術領域：
本發明涉及微納米線材的熱學特性測試技術領域，具體涉及一種同時測量單根微納米線材雷射吸收率和熱導率的方法。
背景技術：
微納米線材包括碳纖維、矽/鍺納米線、碳納米管等，在微電子器件散熱、新型熱電材料開發、航空航天工程領域具有廣泛的工程應用背景。其中碳納米管更是被譽為21世紀最有前途的納米材料，1991年日本NEC公司基礎研究實驗室的Iijima教授首次發現碳納米管，它是由單層(或幾層)碳原子捲曲形成的一維材料，具有極高的力學強度、熱導率和優異的場發射特性。碳納米管的直徑一般為2 10nm，長度在微米到釐米量級，如此小的幾何尺度使碳納米管的熱物性表徵相比其他微納米線材更為困難。如何準確測量單根碳納米管的局部溫度和所吸收的熱量成為熱物性實驗領域的關鍵難題，專利檢索發現國內目前還沒有 關於單根碳納米管熱物性測量的有效方法報導。常規的電阻溫度計、熱電偶尺寸在毫米量級，無法直接測量微納米線材的溫度；基於掃描探針的接觸式測溫方法(Scanning Thermal Microscopy)可以測量納米材料的局部溫度(Μ· E. Pumarol, M. C. Rosamond, et al. , Nano Lett.，2012，12:2906-2911)，但引入納米探針會改變被測材料的局部溫度場，從而帶來一定的實驗誤差。雷射拉曼測量技術是近年來發展的一種無接觸式測溫方法，具有原理簡單、重複性好、測溫精度高的特點，特別適合微納米線材局部溫度的測量(I. K. Hsu, Μ. T. Pettes, etal.，J.App I. Phys.，2010，108，084307 ; Y. Y. Zhang, L. M. Xie，et al.，J. Phys. Chem.C，2007，111:14031-14034)。使用雷射拉曼技術測量微納米線材的熱導率必須首先已知微納米材料的雷射吸收率，根據現有文獻檢索發現只有美國南加州大學的研究組報導過利用微電極電阻測溫的方法測量碳納米管束(直徑7 IOnm)的雷射吸收率(I. K. Hsu, Μ. T. Pettes, et al.，NanoLett.，2009,9(2) :590-594.)，除此之外還未見測量微納米線材雷射吸收率的有效方法。然而該方法利用微電極作為溫度傳感器(特徵長度 10 μ m)只能測量微納米線材的端點溫度，不能獲得沿微納米線材長度方向的溫度分布；另外微電極和待測樣品之間難免會存在接觸電阻和接觸熱阻，增加溫度測量的不確定度。

發明內容
為解決上述現有技術中存在的問題，本發明的目的在於提供一種同時測量微納米線材雷射吸收率和熱導率的方法。該方法適用於各種不同材料、直徑、長度的微納米線材，只要待測樣品具有典型的特徵拉曼光譜即可。具有適用範圍廣、原理簡單、測量精度高、重複性好的特點。為達到上述目的，本發明所採用的技術方案是一種同時測量單根微納米線材雷射吸收率和熱導率的方法，包括如下步驟
步驟I :製備二氧化矽/矽基底上的懸空微納米線材樣品，其兩端沉積金屬電極用於通電；步驟2 :分別利用掃描電鏡和原子力顯微鏡測量微納米線材樣品的長度I和直徑D ;步驟3 :利用雷射拉曼定位的方法在光學顯微鏡下確定微納米線材樣品的位置；步驟4:利用冷熱臺改變待測樣品基底的溫度，微納米線材樣品的特徵拉曼頻率隨溫度的變化而偏移，測量特徵拉曼頻率隨溫度變化的偏移斜率；步驟5 :利用雷射加熱和電加熱兩種方法使微納米線材樣品中心點溫度升高，測量微納米線材樣品特徵拉曼頻率的偏移量獲得中心點溫升Λ Tm，在中心點溫度相等的條件下測量雷射功率S1和電功率Se ；
步驟6 :將微納米線材樣品的長度I和直徑D、中心點溫升ATm、相同溫升條件下的雷射功率S1和電功率Se代入公式I)和公式2)，計算獲得微納米線材樣品的雷射吸收率α和熱導率λ。
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, (XS1-I— AlliTrD2 .2)步驟I所述的微納米線材樣品的製備方法具體為在lcmXlcmX500ym的方形矽片上利用化學刻蝕的方法獲得長方形刻槽，其寬度可根據用戶需求選擇，一般在2 μ m到200 μ m之間，槽道刻蝕深度在幾十微米；對矽基底進行表面氧化形成二氧化矽電絕緣層；在槽道兩邊利用物理氣相沉積的方法製備10 μ mX 10 μ m的金屬電極用於通電，2 μ m線寬的金屬引線用於測量電壓，製備金屬電極的過程中需要保護中心槽道避免被金屬顆粒所覆蓋；在二氧化矽/矽基底上製備微納米線材並使之懸空搭接在金屬電極之間，保證待測樣品不會接觸槽道底部。步驟3所述的利用雷射拉曼定位的方法確定微納米線材位置的具體方法為利用拉曼光譜儀在目標平面區域內掃描微納米線材樣品的特徵拉曼信號，出現特徵拉曼信號的位置就是微納米線材樣品的位置，其餘位置的拉曼信號為零；將所測量的拉曼頻率選擇在信號最強的特徵頻率附近(碳納米管為1580cm—1)，對可能存在樣品的區域進行平面掃描，電控平臺的移動步長選擇為I μ m。步驟4所述測量特徵拉曼頻率隨溫度變化的偏移斜率的具體方法為利用冷熱臺改變微納米線材樣品的基底溫度，達到所設定溫度後等待30分鐘保持溫度穩定，測量微納米線材樣品的特徵拉曼頻率，完成所有設定溫度測量後獲得特徵拉曼頻率隨溫度變化的偏移斜率，通過測量微納米線材樣品特徵拉曼頻率偏移量進而獲得其局部溫度，實驗中需要保證每次測量的雷射加熱功率和曝光時間相同。所述利用冷熱臺改變微納米線材樣品的基底溫度以30K為間隔。步驟5所述的利用雷射加熱的具體方法為在真空條件下，將雷射聚焦在微納米線材樣品的中心位置進行加熱，測量加熱後特徵拉曼頻率的偏移量，進而利用特徵頻率隨溫度變化的斜率獲得中心點溫升Λ Tm，測量此時聚焦物鏡出口的雷射功率為S1，選擇的雷射加熱功率較強但不會燒毀樣品，功率的具體數值同待測樣品的種類、幾何尺寸有關。
對直徑為3. 2nm,長度為24. 8 μ m的碳納米管加熱功率為274. 8 μ W。步驟5所述的利用電加熱的具體方法為在真空條件下，對微納米線材樣品進行直流通電加熱，測量特徵拉曼頻率的偏移量並利用特徵頻率隨溫度變化的斜率獲得中心點溫升，實驗中逐漸增加電功率直到微納米線材樣品中心點的溫度與所述的雷射加熱中心點的溫度相等，記錄此時的電功率S6。公式I)和2)的計算推導過程如下在真空條件下，直流通電加熱產生的待測樣品溫度分布為
_5] τ--- §ιγ τ。，3)其中λ是待測樣品的熱導率，T0是環境溫度，中心點的溫升為 4) 待測樣品中心點受到雷射加熱產生的溫度分布為Γ = -+5)
π 2λ πΟ-λ 0J相應中心點的溫升為
Iry C Δ^=^Ι·6)令Λ Tni2=AT111Pi^可以得到公式I)中雷射吸收率α和公式2)中熱導率λ的表達式。本發明提供的方法突破了單根微納米線材溫度和熱量實驗表徵的關鍵技術難題，填補了測量單根碳納米管雷射吸收率的技術空白，為深入研究納米材料能量輸運性質和光學吸收特性提供了有效的實驗方法。該方法具有以下技術特點(I)實現單根微納米材料(如碳納米管)的拉曼定位。不受樣品尺寸的限制，可以在光學顯微鏡下準確確定單壁、多壁碳納米管的空間位置。(2)實現單根微納米線材的無接觸式測溫。利用待測樣品特徵拉曼頻率對溫度的依賴關係可以準確測量樣品的局部溫度，測量過程中不需要接觸待測樣品，避免了常規方法中測溫探針對局域溫度場的影響，提高了測溫精度。(3)適用範圍廣、原理簡單、可靠性高。該方法適用於任意具有特徵拉曼光譜的微納米線材，如碳纖維、矽/鍺納米線、碳納米管等，僅測量樣品的幾何尺寸、電加熱功率、雷射功率和中心溫度就可以同時獲得待測樣品的雷射吸收率和熱導率，避免了微電極測溫方法所引入的接觸電阻和接觸熱阻，提高了測量精度。


圖I為製備的碳納米管掃描電鏡照片。圖2為碳納米管的拉曼定位照片。圖3為不同溫度條件下碳納米管G峰頻率的偏移。圖4為雷射加熱碳納米管的示意圖。圖5為碳納米管G峰頻率隨雷射加熱功率的偏移。圖6為電加熱碳納米管的示意圖。圖7為碳納米管G峰頻率隨電加熱功率的偏移。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。利用本發明所涉及的方法測量了單根碳納米管的雷射吸收率和熱導率，具體實施例如下(I)在二氧化矽/矽基底上利用化學氣相沉積的方法製備了多根碳納米管，碳納米管樣品的中間部分懸空在基底的刻槽之上用於拉曼測量。碳納米管樣品的電鏡照片如圖I所示，其中圓圈標記的是實施例中所測量的單根碳納米管，其餘妨礙測量的碳納米管可以用強雷射聚焦燒斷。(2)因為碳納米管的直徑在幾個納米的量級，光學顯微鏡無法直接觀察 到碳納米管樣品。我們實驗中使用HORIBA公司的T64000型三級光柵拉曼光譜儀，在目標平面區域內掃描碳納米管的特徵拉曼信號，出現信號的位置就是碳納米管的位置。拉曼定位方法不受樣品尺寸大小的限制，適用於任意管徑的碳納米管。圖2顯示為單根碳納米管拉曼定位後的光學照片。(3)利用LINKAM公司的低溫冷熱臺在_90°C到90°C的溫度範圍內對碳納米管樣品的拉曼光譜進行測量(相鄰溫度間隔30. 0K)，樣品G峰頻率隨溫度的變化關係如圖3所示。測量結果顯示溫度每升高30. OK, G峰頻率偏移一個波數(cnT1 )。已知G峰頻率隨溫度的偏移斜率後就可以通過測量不同雷射加熱功率或電加熱功率導致的頻率偏移量確定碳納米管樣品的局部溫度。實驗中所使用的T64000光譜儀焦長達到I. 8m，光譜解析度為O. 15^1,是目前世界上解析度最高的光譜儀之一，相應測量溫度的解析度為4. 5K。(4)利用掃描電鏡和光學顯微鏡照片可以確定待測碳納米管樣品的長度是
24.8 μ m，利用原子力顯微鏡測量碳納米管直徑為3. 2nm。(5)使用SPECTRA PHYSICS公司的Stabilite 2018型氬-氪離子雷射器產生514nm波長的雷射加熱碳納米管，如圖4所示。實驗中將雷射聚焦在碳納米管的中心位置，改變雷射加熱功率測量碳納米管的溫升。圖5顯示為不同雷射加熱功率對應的G峰頻率，隨著雷射加熱功率增加，碳納米管中心點溫度升高，G峰頻率逐漸向低波數方向移動。當雷射加熱功率為274. 8 μ W時中心點溫升為142Κ。(6)使用ADVANTEST公司的R6243型精密直流電源對碳納米管樣品進行通電加熱，如圖6所示。利用KEITHLEY公司的2002型八位半高精度電壓表可以準確測量碳納米管兩端的電壓U，同時將Y0K0GAWA公司100 Ω標準電阻與碳納米管串聯，測量標準電阻兩端的電壓再除以100Ω電阻即獲得電流I。碳納米管的電加熱功率Se=UI。實驗中使用一束較弱的雷射測量碳納米管中心點的溫度，圖7顯示為不同電加熱功率對應的G峰頻率偏移。當電加熱功率為O. 96 μ W時碳納米管中心點的溫升為142Κ，和雷射加熱溫升相等。(7)根據發明內容中測量結果分析的公式I)和2)可以計算得到碳納米管的雷射吸收率為O. 17%，熱導率為253611^ '
權利要求
1.一種同時測量單根微納米線材雷射吸收率和熱導率的方法，其特徵在於包括如下步驟 步驟I :製備二氧化矽/矽基底上的懸空微納米線材樣品，其兩端沉積金屬電極用於通電； 步驟2 :分別利用掃描電鏡和原子力顯微鏡測量微納米線材樣品的長度I和直徑D ; 步驟3 :利用雷射拉曼定位的方法在光學顯微鏡下確定微納米線材樣品的位置； 步驟4:利用冷熱臺改變待測樣品基底的溫度，微納米線材樣品的特徵拉曼頻率隨溫度的變化而偏移，測量特徵拉曼頻率隨溫度變化的偏移斜率； 步驟5 :利用雷射加熱和電加熱兩種方法使微納米線材樣品中心點溫度升高，測量微納米線材樣品特徵拉曼頻率的偏移量獲得中心點溫升ATm，在中心點溫度相等的條件下測量雷射功率S1和電功率Se ； 步驟6 :將微納米線材樣品的長度I和直徑D、中心點溫升Λ Tm、相同溫升條件下的雷射功率S1和電功率Se代入公式I)和公式2)，計算獲得微納米線材樣品的雷射吸收率α和熱導率入。
2.根據權利要求I所述的一種同時測量單根微納米線材雷射吸收率和熱導率的方法，其特徵在於步驟3所述的利用雷射拉曼定位的方法確定微納米線材樣品的位置的具體方法為利用拉曼光譜儀在目標平面區域內掃描微納米線材樣品的特徵拉曼信號，出現特徵拉曼信號的位置就是微納米線材樣品的位置，其餘位置的拉曼信號為零；將所測量的拉曼頻率選擇在信號最強的特徵頻率附近，對可能存在樣品的區域進行平面掃描，電控平臺的移動步長選擇為I μ m。
3.根據權利要求I所述的一種同時測量單根微納米線材雷射吸收率和熱導率的方法，其特徵在於步驟4所述測量特徵拉曼頻率隨溫度變化的偏移斜率的具體方法為利用冷熱臺改變微納米線材樣品的基底溫度，達到所設定溫度後等待30分鐘保持溫度穩定，測量微納米線材樣品的特徵拉曼頻率，完成所有設定溫度測量後獲得特徵拉曼頻率隨溫度變化的偏移斜率，通過測量微納米線材樣品特徵拉曼頻率偏移量進而獲得其局部溫度，實驗中需要保證每次測量的雷射加熱功率和曝光時間相同。
4.根據權利要求3所述的一種同時測量微納米線材雷射吸收率和熱導率的方法，其特徵在於所述利用冷熱臺改變微納米線材樣品的基底溫度以30K為間隔。
5.按權利要求3所述的一種同時測量單根微納米線材雷射吸收率和熱導率的方法，其特徵在於步驟5所述的利用雷射加熱的具體方法為在真空條件下，將雷射聚焦在微納米線材樣品的中心位置進行加熱，測量加熱後特徵拉曼頻率的偏移量，進而利用特徵拉曼頻率隨溫度變化的斜率獲得中心點溫升Λ Tm，測量此時聚焦物鏡出口的雷射功率為S1，選擇的雷射加熱功率較強但不會燒毀樣品，功率的具體數值同樣品的種類、幾何尺寸有關。
6.按權利要求5所述的一種同時測量單根微納米線材雷射吸收率和熱導率的方法，其特徵在於步驟5所述的利用電加熱的具體方法為在真空條件下，對微納米線材樣品進行直流通電加熱，測量特徵拉曼頻率的偏移量並利用特徵拉曼頻率隨溫度變化的斜率獲得中心點溫升，實驗中逐漸增加電功率直到微納米線材樣品中心點的溫度與所述的雷射加熱中心點的溫度 相等，記錄此時的電功率Se。
全文摘要
本發明提供了一種同時測量單根微納米線材雷射吸收率和熱導率的方法，屬於納米材料物性表徵的技術領域。主要特徵是利用無接觸式的雷射拉曼測量技術對單根微納米線材進行定位和溫度標定，之後在真空環境中分別利用雷射加熱和電加熱方法達到相等的待測樣品中心溫度並測量各自的加熱功率。將微納米線材的幾何尺寸、中心溫度和加熱功率代入理論公式計算就可以同時獲得待測樣品的雷射吸收率和熱導率。該方法適用範圍廣，原理簡單，操作方便，適用於具有特徵拉曼光譜的各種不同材料、直徑、長度的微納米線材，填補了測量單根碳納米管雷射吸收率的技術空白，為實際工程應用提供寶貴的基礎物性數據。
文檔編號G01K11/32GK102944573SQ201210436540
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月5日 優先權日2012年11月5日
發明者王海東, 張興 申請人:清華大學