[发明专利]激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法及系统

说明书

本发明公开了一种激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法及系统，其中，该方法包括：加热脉冲激光按照预设周期对一维纳米线样品和基底进行加热，使一维纳米线样品和基底在预设周期内升温和冷却；在预设周期内，通过探测脉冲激光对一维纳米线样品和基底进行拉曼信号探测，根据拉曼信号的光谱峰位和温度的线性关系，获取在探测脉冲激光宽度内一维纳米线样品和基底的平均提升温度；调整探测脉冲激光与加热脉冲激光的周期偏差，获取两条一维纳米线样品和基底的温度与时间的变化曲线，对两条变化曲线进行无量纲化得到一维纳米线样品的热传导特性。该方法实现了有基底一维纳米线原位无损非接触式测量，可直接测量得到纳米线热传导特性。

技术领域

本发明涉及微纳米尺度热物性测试技术领域，特别涉及一种激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法及系统。

背景技术

纳米线在能源，生物，微电子和微机械等许多领域受到广泛关注。受量子效应和表面电子/声子散射的影响，纳米线的性质与体材料表现出很大差异。准确表征纳米线的热性质在实际应用中至关重要。历史上，已经开发了用于测量纳米线的热性质的接触和非接触方法。其中，接触式方法以T形法(Zhang X et al.,International Journal ofThermophysics,2000,21(4):965-980.)和微器件法(Kim P et al.,Physical reviewletters,2001,87(21):215502.)为代表，非接触式方法以拉曼方法为代表。为消除界面热阻的影响，通常的方法在实验中对悬架的纳米线进行测量。然而，在实际的电子器件中，纳米线通常被基底支撑而非悬架。由于纳米线和基底之间的界面处存在显著的电子/声子散射，悬架的纳米线和支撑的纳米线的热物理性质可能存在明显不同，文献报道中很少有实验对基底支撑的纳米线进行热物性的测量。

拉曼光谱是一种非接触，无破坏性且易于操作的工具，可以用于测量纳米材料的局域温度。使用具有大数值孔径(NA)的高倍率物镜，聚焦激光光斑的直径可小于1μm。在已有的文献中，已经提出了稳态和瞬态拉曼方法来测量纳米线和纳米薄膜的热导率和热扩散率。稳态拉曼方法通过使用电流或激光加热悬架纳米线，并通过检测拉曼峰值位移测量局部温度，目前该方法已成功用于测量碳纳米管，硅纳米线，GaAs纳米线等。但是，如果样品被电流加热，则测试样品必须是导电的，并且要精细设计连接纳米线的微电极，样品和工艺要求高。如果样品通过激光加热，则应精确测量激光吸收系数，这对于大多数纳米材料来说是很难实现的。Liu等人(Liu J H,et al.,Review of Scientific Instruments,2015,86(1):014901)通过使用单波长激光闪光拉曼方法解决了这个问题。在该方法中，加热激光同时也是探测激光由电光调制器调制并引起周期性的温度上升和下降。通过改变激光照射时间来测量测试纳米线的温度上升曲线，并且在无量纲分析中消除激光吸收系数。Li等人(LiQ Y,et al.,International Journal of Heat and Mass Transfer,2016,95:956-963.)将这种方法扩展到二维材料。但是由于电光调制器上升/下降时间的限制，最短曝光时间长于15ns，导致支撑二维材料测量的时间和温度分辨率非常低。对于支撑的超细纳米线或超薄纳米膜，例如碳纳米管和石墨烯，温度在约10ns后就趋于稳态。在这种情况下，单激光方法不能准确地测量整个温度上升曲线，现有实验研究尚不能精确的测定有基底一维纳米线的热传导特性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种激光测量支撑一维纳米线热传导特性的方法，该方法通过调整探测脉冲激光和加热脉冲激光的时间周期间隔，获得更高的时间精度和数据精度。

本发明的另一个目的在于提出一种激光测量支撑一维纳米线热传导特性的系统。