專利名稱：同時測量單根微納米線材激光吸收率和熱導(dǎo)率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納米線材的熱學(xué)特性測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種同時測量單根微納米線材激光吸收率和熱導(dǎo)率的方法。
背景技術(shù)：
微納米線材包括碳纖維、硅/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(fā)、航空航天工程領(lǐng)域具有廣泛的工程應(yīng)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(chǔ)研究實驗室的Iijima教授首次發(fā)現(xiàn)碳納米管，它是由單層(或幾層)碳原子卷曲形成的一維材料，具有極高的力學(xué)強度、熱導(dǎo)率和優(yōu)異的場發(fā)射特性。碳納米管的直徑一般為2 10nm，長度在微米到厘米量級，如此小的幾何尺度使碳納米管的熱物性表征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(lǐng)域的關(guān)鍵難題，專利檢索發(fā)現(xiàn)國內(nèi)目前還沒有 關(guān)于單根碳納米管熱物性測量的有效方法報道。常規(guī)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；基于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。激光拉曼測量技術(shù)是近年來發(fā)展的一種無接觸式測溫方法，具有原理簡單、重復(fù)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)。使用激光拉曼技術(shù)測量微納米線材的熱導(dǎo)率必須首先已知微納米材料的激光吸收率，根據(jù)現(xiàn)有文獻檢索發(fā)現(xiàn)只有美國南加州大學(xué)的研究組報道過利用微電極電阻測溫的方法測量碳納米管束(直徑7 IOnm)的激光吸收率(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激光吸收率的有效方法。然而該方法利用微電極作為溫度傳感器(特征長度 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(fā)明內(nèi)容
為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種同時測量微納米線材激光吸收率和熱導(dǎo)率的方法。該方法適用于各種不同材料、直徑、長度的微納米線材，只要待測樣品具有典型的特征拉曼光譜即可。具有適用范圍廣、原理簡單、測量精度高、重復(fù)性好的特點。為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種同時測量單根微納米線材激光吸收率和熱導(dǎo)率的方法，包括如下步驟
步驟I :制備二氧化硅/硅基底上的懸空微納米線材樣品，其兩端沉積金屬電極用于通電；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 :利用激光拉曼定位的方法在光學(xué)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征拉曼頻率隨溫度的變化而偏移，測量特征拉曼頻率隨溫度變化的偏移斜率；步驟5 :利用激光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征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激光功率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、相同溫升條件下的激光功率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激光吸收率α和熱導(dǎo)率λ。
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, (XS1-I— AlliTrD2 .2)步驟I所述的微納米線材樣品的制備方法具體為在lcmXlcmX500ym的方形硅片上利用化學(xué)刻蝕的方法獲得長方形刻槽，其寬度可根據(jù)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；對硅基底進行表面氧化形成二氧化硅電絕緣層；在槽道兩邊利用物理氣相沉積的方法制備10 μ mX 10 μ m的金屬電極用于通電，2 μ m線寬的金屬引線用于測量電壓，制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；在二氧化硅/硅基底上制備微納米線材并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所述的利用激光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(qū)域內(nèi)掃描微納米線材樣品的特征拉曼信號，出現(xiàn)特征拉曼信號的位置就是微納米線材樣品的位置，其余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征頻率附近(碳納米管為1580cm—1)，對可能存在樣品的區(qū)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所述測量特征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(shè)定溫度后等待30分鐘保持溫度穩(wěn)定，測量微納米線材樣品的特征拉曼頻率，完成所有設(shè)定溫度測量后獲得特征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征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激光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所述的利用激光加熱的具體方法為在真空條件下，將激光聚焦在微納米線材樣品的中心位置進行加熱，測量加熱后特征拉曼頻率的偏移量，進而利用特征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激光功率為S1，選擇的激光加熱功率較強但不會燒毀樣品，功率的具體數(shù)值同待測樣品的種類、幾何尺寸有關(guān)。
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，測量特征拉曼頻率的偏移量并利用特征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激光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(dǎo)過程如下在真空條件下，直流通電加熱產(chǎn)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(dǎo)率，T0是環(huán)境溫度，中心點的溫升為 4) 待測樣品中心點受到激光加熱產(chǎn)生的溫度分布為Γ = -+5)
π 2λ πΟ-λ 0J相應(yīng)中心點的溫升為
Iry C Δ^=^Ι·6)令Λ Tni2=AT111Pi^可以得到公式I)中激光吸收率α和公式2)中熱導(dǎo)率λ的表達式。本發(fā)明提供的方法突破了單根微納米線材溫度和熱量實驗表征的關(guān)鍵技術(shù)難題，填補了測量單根碳納米管激光吸收率的技術(shù)空白，為深入研究納米材料能量輸運性質(zhì)和光學(xué)吸收特性提供了有效的實驗方法。該方法具有以下技術(shù)特點(I)實現(xiàn)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(xué)顯微鏡下準確確定單壁、多壁碳納米管的空間位置。(2)實現(xiàn)單根微納米線材的無接觸式測溫。利用待測樣品特征拉曼頻率對溫度的依賴關(guān)系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(guī)方法中測溫探針對局域溫度場的影響，提高了測溫精度。(3)適用范圍廣、原理簡單、可靠性高。該方法適用于任意具有特征拉曼光譜的微納米線材，如碳纖維、硅/鍺納米線、碳納米管等，僅測量樣品的幾何尺寸、電加熱功率、激光功率和中心溫度就可以同時獲得待測樣品的激光吸收率和熱導(dǎo)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為制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為激光加熱碳納米管的示意圖。圖5為碳納米管G峰頻率隨激光加熱功率的偏移。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(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。利用本發(fā)明所涉及的方法測量了單根碳納米管的激光吸收率和熱導(dǎo)率，具體實施例如下(I)在二氧化硅/硅基底上利用化學(xué)氣相沉積的方法制備了多根碳納米管，碳納米管樣品的中間部分懸空在基底的刻槽之上用于拉曼測量。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，其余妨礙測量的碳納米管可以用強激光聚焦燒斷。(2)因為碳納米管的直徑在幾個納米的量級，光學(xué)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(qū)域內(nèi)掃描碳納米管的特征拉曼信號，出現(xiàn)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，適用于任意管徑的碳納米管。圖2顯示為單根碳納米管拉曼定位后的光學(xué)照片。(3)利用LINKAM公司的低溫冷熱臺在_90°C到90°C的溫度范圍內(nèi)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(guān)系如圖3所示。測量結(jié)果顯示溫度每升高30. OK, G峰頻率偏移一個波數(shù)(cnT1 )。已知G峰頻率隨溫度的偏移斜率后就可以通過測量不同激光加熱功率或電加熱功率導(dǎo)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，光譜分辨率為O. 15^1,是目前世界上分辨率最高的光譜儀之一，相應(yīng)測量溫度的分辨率為4. 5K。(4)利用掃描電鏡和光學(xué)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-氪離子激光器產(chǎn)生514nm波長的激光加熱碳納米管，如圖4所示。實驗中將激光聚焦在碳納米管的中心位置，改變激光加熱功率測量碳納米管的溫升。圖5顯示為不同激光加熱功率對應(yīng)的G峰頻率，隨著激光加熱功率增加，碳納米管中心點溫度升高，G峰頻率逐漸向低波數(shù)方向移動。當激光加熱功率為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(lián)，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激光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(yīng)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，和激光加熱溫升相等。(7)根據(jù)發(fā)明內(nèi)容中測量結(jié)果分析的公式I)和2)可以計算得到碳納米管的激光吸收率為O. 17%，熱導(dǎo)率為253611^ '
權(quán)利要求
1.一種同時測量單根微納米線材激光吸收率和熱導(dǎo)率的方法，其特征在于包括如下步驟 步驟I :制備二氧化硅/硅基底上的懸空微納米線材樣品，其兩端沉積金屬電極用于通電； 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 :利用激光拉曼定位的方法在光學(xué)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征拉曼頻率隨溫度的變化而偏移，測量特征拉曼頻率隨溫度變化的偏移斜率； 步驟5 :利用激光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征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激光功率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、相同溫升條件下的激光功率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激光吸收率α和熱導(dǎo)率入。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種同時測量單根微納米線材激光吸收率和熱導(dǎo)率的方法，其特征在于步驟3所述的利用激光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(qū)域內(nèi)掃描微納米線材樣品的特征拉曼信號，出現(xiàn)特征拉曼信號的位置就是微納米線材樣品的位置，其余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征頻率附近，對可能存在樣品的區(qū)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(jù)權(quán)利要求I所述的一種同時測量單根微納米線材激光吸收率和熱導(dǎo)率的方法，其特征在于步驟4所述測量特征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(shè)定溫度后等待30分鐘保持溫度穩(wěn)定，測量微納米線材樣品的特征拉曼頻率，完成所有設(shè)定溫度測量后獲得特征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征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激光加熱功率和曝光時間相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種同時測量微納米線材激光吸收率和熱導(dǎo)率的方法，其特征在于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(quán)利要求3所述的一種同時測量單根微納米線材激光吸收率和熱導(dǎo)率的方法，其特征在于步驟5所述的利用激光加熱的具體方法為在真空條件下，將激光聚焦在微納米線材樣品的中心位置進行加熱，測量加熱后特征拉曼頻率的偏移量，進而利用特征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激光功率為S1，選擇的激光加熱功率較強但不會燒毀樣品，功率的具體數(shù)值同樣品的種類、幾何尺寸有關(guān)。
6.按權(quán)利要求5所述的一種同時測量單根微納米線材激光吸收率和熱導(dǎo)率的方法，其特征在于步驟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，測量特征拉曼頻率的偏移量并利用特征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激光加熱中心點的溫度 相等，記錄此時的電功率Se。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種同時測量單根微納米線材激光吸收率和熱導(dǎo)率的方法，屬于納米材料物性表征的技術(shù)領(lǐng)域。主要特征是利用無接觸式的激光拉曼測量技術(shù)對單根微納米線材進行定位和溫度標定，之后在真空環(huán)境中分別利用激光加熱和電加熱方法達到相等的待測樣品中心溫度并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激光吸收率和熱導(dǎo)率。該方法適用范圍廣，原理簡單，操作方便，適用于具有特征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激光吸收率的技術(shù)空白，為實際工程應(yīng)用提供寶貴的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)。
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(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者王海東, 張興 申請人:清華大學(xué)