[发明专利]测量热扩散系数的装置以及测量热扩散系数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量热扩散系数的装置以及其测量方法，且特别涉及测量纳米级尺度的多层膜的热扩散系数的装置以及其测量方法。

背景技术

在材料的热扩散特性的研究中，以往只要在材料的一端施加热能，另一端测量温度，即可算出热扩散特性。然而当材料的尺度小到纳米级尺度的时候，以往的直接测量的方式已不适用。

目前测量薄膜的热扩散特性的方法包括：闪烁法(flash method)、3ω方法、交流热量计方法(Ac calorimetric method)、调节激光技术(modulated laser technique)、即时相位影像法(instantaneous phase portrait method)以及行进波法(traveling wave method)等。然而这些测量方法主要还是以测量微米尺度的薄膜为主，对于纳米尺度的测量技术还有存在许多问题。

以热行进波法测量薄膜的热扩散系数是由Philip G.Kosky等人在1993年发表在Rev.Sci.Instrum.，64(4)1071-1075的方法。这种测量方法不需要检测样品的实际温度，所以不会遇到测量纳米尺度薄膜的温度的困难。

热行进波法演变至今有许多不同的表示方式，其中如下式(1)所表示的方程式最具代表性：

Δθ=45+180πfπαd---(1)]]>

式(1)中，Δθ表示热行进波经过d距离之后与热源波之间的相位差，f表示热行进波或热源波的频率，α表示热扩散系数。

上述热行进波法是利用光学的方式来进行测量，因此信号非常微弱，而且存在绕射极限的问题。另外，对于测量环境的要求非常严格，稍微环境震动就会影响热行进波的信号。再者，待测薄膜必须加工成镜面才能进行光学反射，因而对于待测样品有严格的要求。除此之外，由于光学绕射极限，空间解析度无法小于250nm，且只能测量薄膜最表层，而无法测量多层膜。

发明内容

本发明提供一种测量热扩散系数的装置，能在不严格要求测量环境的情形取得纳米级尺度的多层膜的热扩散系数。

本发明还提供一种测量热扩散系数的方法，能用来测量纳米级尺度的多层膜的热扩散系数。

本发明提出一种测量热扩散系数的装置，至少包括：拉曼光谱仪、加热设备与信号分析单元。所述拉曼光谱仪用以测量待测薄膜的不同位置的拉曼散射强度。所述加热设备用以提供上述待测薄膜可控制的热驱动波。至于信号分析单元是用以分析来自拉曼光谱仪的上述拉曼散射强度以及热驱动波，而得到上述待测薄膜的热扩散系数。

在本发明的一实施例中，上述待测薄膜的热扩散系数是经由多个拉曼散射强度以及热驱动波的相位差变化而得到。

在本发明的一实施例中，上述加热设备为可控制加热频率及功率的加热单元。

在本发明的一实施例中，上述可控制加热频率的加热单元包括激光加热单元、电阻式加热单元或机械波式加热单元。

在本发明的一实施例中，上述激光加热单元中所使用的激光的范围为可见光、近红外光或近紫外光范围。

在本发明的一实施例中，上述测量热扩散系数的装置还包括一检测单元，用以检测出由加热设备提供的热驱动波，并且将所检测的驱动波的信号同步传送至信号分析单元。

在本发明的一实施例中，上述待测薄膜为单层膜或多层膜。

在本发明的一实施例中，当上述待测薄膜为单层膜时，拉曼光谱仪所测量的是单层膜的表层的拉曼信号。

在本发明的一实施例中，当上述待测薄膜为多层膜时，拉曼光谱仪所测量的是多层膜的表层以下的膜的拉曼信号。

本发明还提出一种测量热扩散系数的方法，包括先利用热源提供待测薄膜可控制的热驱动波，再检测在待测薄膜的多个位置的拉曼散射强度随时间变化的波动，接着，比较上述热驱动波以及在所述位置的拉曼散射强度变化波而得到多个相位差，通过这些相位差计算得到所述待测薄膜的热扩散系数。