TDTR 时域热反射测量系统

在现代工业中，材料的热性能，尤其是热物理性能，变得越来越重要。这些性能在高性能微电子器件的散热材料、可持续能源中的热电材料、节能领域的绝热材料以及涡轮叶片的热障涂层（TBC）等方面都有广泛应用。在各种热物性参数中，导热系数尤为关键。随着电子设备设计的进步和对有效热管理需求的增加，纳米薄膜材料得到了广泛应用。纳米级薄膜的厚度通常小于块体材料的典型晶粒粒径，因此其热物理性能与块体材料有显著不同。在纳米级厚度范围内，精确测量热扩散系数和导热系数变得越来越迫切。

飞秒激光时域热反射（Time-Domain Thermoreflectance, TDTR）技术是⼀种基于飞秒超快激光泵浦探测（pump-probe）技术的非接触式导热测量方法。相比其他导热测量技术， TDTR是目前少数几种可以同时测量纳米薄膜热导率和界面热阻的技术。该技术用于研究多种材料的微观热输运性质，包括纳米薄膜材料和液体材料的热导率，固-固材料界面和固-液材料界面的热导，以及在极低温（4K）和超高压（10GPa）条件下的热输运。此外，TDTR还对短脉冲和高频加热情况下的非傅立叶模型进行了解析计算，并从量子理论出发分析了微尺度能量输运过程。

导热特性的测量有两大必要因素：热流的施加（加热方式）和温度的测量，对这两大因素的选取和控制决定了测量方法的精度和适用范围。TDTR方法采用脉冲激光加热、脉冲激光测温的测量方式，实现测量温度随时间变化的超高时间分辨率，时间分辨率高可达100飞秒（10^-15秒）。测量所使用的典型样品结构如图1所示，为保证样品吸收和反射激光的效果，通常在被测样品表面制备厚度约100纳米的金属薄膜，通常为铝、金、铜等金属。仪器利用一束飞秒脉冲激光照射样品表层金属薄膜，金属薄膜吸收激光能量并将其转化为热能从而对样品进行加热，加热过程在皮秒（10^-12秒）尺度上发生，随后热能通过热扩散向样品内部传递，金属表面温度随时间逐渐回落。由于金属的反射率与其温度有关，利用该特性仪器通过测量另⼀束激光的反射强度变化反推获得金属表面温度随时间的变化曲线，该曲线反应了被测样品的导热性质，通过仪器内置的拟合算法可以获得被测样品的热导率、热扩散率、吸热系数、界面热阻等热物性参数。

图2 六种基底材料与Al传感层组成的两层结构样品的相位差信号和幅值信号及佳拟合曲线

数据结果显示，AlN和SrTiO3基底与Al传感层之间的界面热导均接近110 MW/m2K，

其他四种常见基底材料与Al传感层之间的界面热导的数值分布在140–200 MW/m2K中。