綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼光譜法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼光譜法，適用于非接觸式原位綜合測量有基底支撐和懸架狀態(tài)的一維材料和二維材料的熱導(dǎo)率、熱擴散率、納米材料與支撐基底之間的界面熱導(dǎo)以及激光吸收系數(shù)；本發(fā)明依次利用連續(xù)激光和脈沖激光加熱納米材料樣品，同時根據(jù)樣品拉曼光譜的溫度頻移特性實現(xiàn)溫度測量；多次改變連續(xù)激光的光斑尺寸和脈沖激光的脈沖寬度，將不同光斑尺寸和脈沖寬度下測得的溫升作比值，從而消去樣品的激光吸收系數(shù)并從溫升比值中提取納米材料的熱導(dǎo)率、熱擴散率和界面熱導(dǎo)，并在此基礎(chǔ)上測量激光吸收系數(shù)；本發(fā)明可實現(xiàn)同一納米材料樣品在懸架和有支撐狀態(tài)的熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的對比測量。
【專利說明】
綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉 曼光譜法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于納米材料熱傳導(dǎo)特性和光學(xué)特性測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及有基底支撐 和懸架狀態(tài)納米材料的熱導(dǎo)率、熱擴散率、納米材料與基底之間的界面熱導(dǎo)，以及納米材料 的激光吸收系數(shù)的非接觸式綜合測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 納米尺度固體材料在微納電子、微納傳感器、能源轉(zhuǎn)換和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用潛 力巨大。在納米材料中，熱量傳遞發(fā)生在極微小的受限空間，熱傳導(dǎo)特性與宏觀材料顯著不 同，且宏觀尺度下用于表征材料特性的分析方法和測試手段在納米尺度下不再適用。因此， 準(zhǔn)確測量納米材料的熱傳導(dǎo)特性對于納米尺度傳熱學(xué)研究和納米材料的實際應(yīng)用具有重 要意義。
[0003] 納米材料的熱傳導(dǎo)特性主要包括熱導(dǎo)率、熱擴散率及有支撐納米材料與基底的界 面熱導(dǎo)。目前，研究人員成功開發(fā)了一些測量納米材料熱傳導(dǎo)特性的實驗方法，根據(jù)溫度傳 感器與待測樣品是否接觸可分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式方法中，給金屬薄膜傳感 器或納米樣品本身通電自加熱，通過電阻的溫度依賴特性實現(xiàn)溫度測量。接觸式測量主要 存在以下問題：（1)測量受限于納米加工技術(shù)，工藝復(fù)雜；（2)納米樣品極易在通電測量過程 中損壞；（3)接觸熱阻和接觸電阻難以避免。非接觸式方法主要包括瞬態(tài)光熱反射法和拉曼 光譜法。瞬態(tài)光熱反射法基于金屬薄膜表面反射率對溫度的依賴特性實現(xiàn)溫度測量。該方 法利用一束超短栗浦脈沖激光加熱金屬薄膜樣品，另一束探測脈沖在設(shè)定的時間延遲探測 樣品表面反射率變化，通過擬合時域熱反射信號曲線提取納米樣品的熱導(dǎo)率和熱擴散率。 應(yīng)用瞬態(tài)光熱反射法測量納米材料通常需要在被測樣品表面鍍以金屬傳感層，無法實現(xiàn)納 米材料的原位無損測量。拉曼光譜法基于材料拉曼光譜的溫度頻移特性實現(xiàn)溫度測量。該 方法利用連續(xù)激光加熱納米尺度樣品并激發(fā)其拉曼光譜。根據(jù)樣品的拉曼峰位偏移測量光 斑內(nèi)的平均溫度，通過估算激光吸收系數(shù)得到激光加熱量，進而通過穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型求得其 熱導(dǎo)率。拉曼光譜法首先由加州大學(xué)河濱分校的Balandin教授(Balandin A，et al.，Nano Letters,2008,8(3) :902-907.)于2008年提出并應(yīng)用于懸架石墨烯的熱導(dǎo)率測量，之后經(jīng) 過迅速發(fā)展和推廣被用于多種懸架和有支撐一維和二維納米材料熱導(dǎo)率的測量。
[0004] 拉曼光譜法可分別根據(jù)被測納米材料與基底的峰位偏移直接測量二者溫度，是原 位無損測量懸架和有支撐納米材料熱傳遞特性的最有效方法并已取得顯著進展，但目前仍 存在三大問題有待解決。（1)納米材料熱導(dǎo)率的測量結(jié)果均建立在激光加熱量已知的基礎(chǔ) 上，但激光加熱量難以精確測量，大多時候只能通過估算獲得，由此給測量結(jié)果引入較大誤 差。以石墨烯的測量結(jié)果為例，Balandin等首次測得的懸架石墨烯熱導(dǎo)率高達5300W π^Κ 一S而此后其他學(xué)者測得的石墨烯熱導(dǎo)率為600-3000W π^ΙΓ1，均與Balandin等的測量結(jié)果 相差甚遠(yuǎn)。Cai等（Cai W，et al.，Nano Letters,2010,10:1645-1651.)米用光功率計測量 懸架石墨烯的透射激光能量以獲得其激光吸收系數(shù)，但激光吸收系數(shù)測量結(jié)果的不確定度 為33% Xai等進一步假設(shè)有金薄膜支撐石墨烯的激光吸收系數(shù)是懸架狀態(tài)的2倍，由此導(dǎo) 致熱導(dǎo)率和界面熱阻測量的不確定度分別高達+176%/-86%和+57%/-33%。激光加熱量 無法精確測量嚴(yán)重影響拉曼光譜法測量納米材料熱導(dǎo)率的可信度已形成廣泛共識。（2)無 法測量懸架和有支撐納米材料的熱擴散率，目前尚未有相關(guān)報道。（3)缺少納米材料與基底 耦合的完整導(dǎo)熱模型，難以準(zhǔn)確測量有基底支撐的納米材料的熱傳導(dǎo)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種非接觸式的綜合測量 有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼光譜法，本發(fā)明中，多次改變連續(xù)激 光光斑半徑并將不同光斑尺寸下測得的溫升作比值的子方法稱為變光斑穩(wěn)態(tài)拉曼法，多次 改變脈沖激光的脈沖寬度并將不同脈沖寬度下測得瞬態(tài)溫升作比值(或?qū)⑺矐B(tài)溫升與穩(wěn)態(tài) 溫升作比值）的子方法稱為閃光拉曼法;在準(zhǔn)確測得熱傳導(dǎo)特性的基礎(chǔ)上，進一步結(jié)合溫 升一激光入射功率曲線的斜率，可以測量樣品的激光吸收系數(shù)。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] 一種綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼光譜法，依次 測量同一納米材料樣品的有支撐段和懸架段，實現(xiàn)同一樣品有支撐段和懸架段的對比測 量，其中有支撐段在真空環(huán)境或大氣壓下測量，懸架段在真空環(huán)境測量，具體測量方法如 下：
[0008] 先利用連續(xù)激光加熱樣品并多次改變激光光斑尺寸，基于樣品的拉曼光譜測量樣 品溫度，將不同光斑尺寸下測得的穩(wěn)態(tài)溫升作比值，消去樣品的激光吸收系數(shù)，并基于耦合 基底的完整導(dǎo)熱模型從穩(wěn)態(tài)溫升比值中提取納米材料的熱導(dǎo)率、納米材料與基底之間的界 面熱導(dǎo)，該步驟稱為變光斑穩(wěn)態(tài)拉曼法；
[0009] 再用脈沖激光加熱樣品并多次脈沖激光的脈沖寬度，將不同脈沖寬度下測得的瞬 態(tài)溫升作比值，或者將瞬態(tài)溫升與穩(wěn)態(tài)溫升作比值，消去激光吸收系數(shù)，并從瞬態(tài)溫升比值 中提取納米材料的熱擴散率，該步驟稱為閃光拉曼法；
[0010]最后，在測得納米材料的熱傳導(dǎo)特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合樣品的溫升一激光入射功率 曲線的斜率，測量有支撐和懸架納米材料樣品的激光吸收系數(shù)，即其光學(xué)特性。
[0011] 所述納米材料為一維材料或二維材料，所述納米材料的支撐即基底為熱傳導(dǎo)特性 已知的體材料，所述一維材料包括單根碳納米管和娃納米線，所述二維材料包括石墨稀、單 層二硫化鉬、單層氮化硼以及單層黑磷，所述體材料包括硅、碳化硅、氮化硅以及石英
[0012] 所述連續(xù)激光是通過Ar+/Kr+離子激光器或半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光功率恒定的 激光，其激光功率在空間上呈高斯分布;所述多次改變連續(xù)激光的光斑尺寸，是指利用不同 放大倍數(shù)的物鏡，或者改變同一物鏡與待測樣品之間的豎直距離，從而多次改變照射到樣 品上的光斑尺寸。
[0013] 所述將不同光斑半徑下測得的穩(wěn)態(tài)溫升作比值，是指利用不同光斑半徑的連續(xù)激 光加熱樣品，同時根據(jù)樣品的拉曼光譜測量光斑尺寸內(nèi)的平均溫度，將測得的穩(wěn)態(tài)溫升作 比值，從而消去樣品的激光吸收系數(shù)。
[0014] 所述基于耦合基底的完整導(dǎo)熱模型是:有支撐納米材料的導(dǎo)熱模型中，考慮納米 材料與基底之間通過界面熱導(dǎo)傳遞熱量，并且納米材料和基底均吸收激光能量;懸架納米 材料的導(dǎo)熱模型中，考慮熱量依次經(jīng)過懸架區(qū)域納米材料和有支撐區(qū)域納米材料并最終傳 導(dǎo)至基底，懸架區(qū)域與有支撐區(qū)域納米材料在連接處滿足溫度和熱流連續(xù)條件，有支撐區(qū) 域納米材料通過界面熱導(dǎo)向基底導(dǎo)熱。
[0015] 所述脈沖激光是利用電光調(diào)制器調(diào)制Ar7Kr+離子激光器產(chǎn)生的激光，或利用信號 發(fā)生器數(shù)字調(diào)制半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光，從而產(chǎn)生矩形脈沖激光序列，并且可以調(diào)節(jié)脈 沖激光的脈沖寬度和脈沖間隔時間；所述改變脈沖激光的脈沖寬度，是指利用電光調(diào)制器 調(diào)制離子激光器，或利用信號發(fā)生器調(diào)制半導(dǎo)體激光器時，通過設(shè)置電光調(diào)制器或信號發(fā) 生器的參數(shù)來改變矩形脈沖激光的脈沖寬度，同時保證脈沖間隔時間足夠長，使得樣品可 以在脈沖間隔時間內(nèi)充分冷卻至環(huán)境溫度。
[0016] 所述將不同脈沖寬度下測得的溫升做比值，是指利用不同脈沖寬度的脈沖激光加 熱樣品并根據(jù)樣品的拉曼光譜測得瞬態(tài)溫升，將不同脈沖寬度下測得的瞬態(tài)溫升作比值， 或者將瞬態(tài)溫升與連續(xù)激光或脈沖寬度足夠長的脈沖激光加熱測得的穩(wěn)態(tài)溫升作比值，從 而消去樣品的激光吸收系數(shù)。
[0017] 所述激光吸收系數(shù)，是指有支撐和懸架納米材料吸收的激光功率與激光入射功率 的比值，所述納米材料的溫升一激光入射功率曲線的斜率，是指在光斑尺寸不變的條件下， 多次改變激光入射功率并根據(jù)樣品的拉曼光譜測得溫升，樣品溫升隨激光入射功率線性變 化，從溫升一激光入射功率曲線的斜率中獲得單位激光入射功率加熱樣品時引起的樣品溫 升。
[0018] 所述激光吸收系數(shù)的測量方法是:先根據(jù)測得的熱傳導(dǎo)特性推算單位激光加熱量 引起的樣品溫升，再從實驗測得的樣品溫升一激光入射功率曲線中獲得單位激光入射功率 引起的樣品溫升，將二者相比較，獲得激光加熱量與激光入射功率的比值，即樣品的激光吸 收系數(shù)。
[0019] 所述真空環(huán)境為壓力小于l(T3pa的真空腔環(huán)境，通過機械栗和分子栗兩級抽濾實 現(xiàn)，該環(huán)境中，樣品向環(huán)境的輻射和對流熱損失可以忽略。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明依次利用連續(xù)激光和脈沖激光加熱納米材料樣品，并多 次改變連續(xù)激光的光斑尺寸和脈沖激光的脈沖寬度，將不同光斑尺寸和脈沖寬度下測得的 溫升作比值，無需知曉激光吸收系數(shù)就可以準(zhǔn)確測量有支撐和懸架納米材料的熱導(dǎo)率、熱 擴散率和界面熱導(dǎo)，由此從根本上消除激光加熱量的不確定度帶來的系統(tǒng)誤差。
[0021] 本發(fā)明可實現(xiàn)同一納米材料樣品在懸架和有支撐狀態(tài)的熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的對 比測量，為納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的原位準(zhǔn)確測量提供了新的思路，對于納米材料的 基礎(chǔ)與應(yīng)用研究、材料基因組計劃的開展和納米尺度傳熱學(xué)的發(fā)展具有重要意義。
【附圖說明】
[0022] 圖1為系統(tǒng)拉曼光譜法對比測量有支撐和懸架納米材料示意圖。
[0023]圖2矩形脈沖激光序列示意圖。
[0024] 圖3為高斯激光加熱有基底支撐納米材料示意圖。
[0025] 圖4為高斯激光加熱懸架納米材料示意圖。
[0026] 圖5為系統(tǒng)拉曼光譜法測試平臺示意圖。
[0027] 圖6為有硅片支撐石墨烯的歸一化穩(wěn)態(tài)溫升隨光斑半徑的變化規(guī)律和穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 特性的擬合結(jié)果。
[0028] 圖7為圓形懸架石墨烯的歸一化穩(wěn)態(tài)溫升隨光斑半徑的變化規(guī)律和穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)特 性的擬合結(jié)果。
[0029] 圖8為有硅片支撐石墨烯的歸一化瞬態(tài)溫升隨激光脈沖寬度的變化規(guī)律和熱擴散 率的擬合結(jié)果。
[0030] 圖9為圓形懸架石墨烯的歸一化瞬態(tài)溫升隨激光脈沖寬度的變化規(guī)律和熱擴散率 的擬合結(jié)果。
[0031] 圖10為圓形懸架石墨烯的穩(wěn)態(tài)溫升隨激光入射功率的線性變化規(guī)律。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。
[0033] 本發(fā)明綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼光譜法，如 圖1所示，首先依次測量同一納米材料樣品的有支撐段和懸架段，實現(xiàn)同一樣品有支撐段和 懸架段的對比測量，其中有支撐段在真空環(huán)境或大氣壓下測量，懸架段在真空環(huán)境測量，具 體過程包括：
[0034] 1、測量有基底支撐納米材料的技術(shù)方案 [0035] (1)變光斑穩(wěn)態(tài)拉曼法
[0036]連續(xù)激光加熱有支撐納米材料時，根據(jù)有支撐納米材料和基底的拉曼光譜頻移， 可以同時測量有支撐納米材料和基底表面在光斑尺寸區(qū)域內(nèi)的平均溫度?；谟兄渭{米 材料與基底耦合的完整導(dǎo)熱模型，無量綱分析表明，有支撐納米材料和基底表面的無量綱 穩(wěn)態(tài)平均溫升為三個無量綱參數(shù)的函數(shù)，即有下式
(1)
[0038] 其中，0_#^和0^*3為有支撐納米材料和基底表面的穩(wěn)態(tài)平均溫升，通過各自的 拉曼光譜直接測得;和g分別為有支撐納米材料的熱導(dǎo)率和納米材料與基底間單位面積 的界面熱導(dǎo);ro為高斯激光的光斑半徑，通過刀口法精確測量;d和&為有支撐納米材料的厚 度和基底材料的熱導(dǎo)率，為已知量;m和分別為支撐納米材料和基底的激光吸收系數(shù);P為 入射激光功率。保持激光功率不變，多次改變激光光斑尺寸并將不同光斑半徑下測得的穩(wěn) 態(tài)溫升作比值，獲得至少三組不同光斑尺寸下穩(wěn)態(tài)溫升的比值，即可消去支撐納米材料的 激光吸收系數(shù)并從三組溫升比值數(shù)據(jù)中提取支撐納米材料的熱導(dǎo)率(λ_)、有支撐納米材 料與基底間單位面積的界面熱導(dǎo)（g)及有支撐納米材料與基底的激光吸收系數(shù)之比（η 2/ m)〇
[0039] (2)閃光拉曼法
[0040] 矩形脈沖激光加熱支撐納米材料時，支撐納米材料和基底表面的無量綱瞬態(tài)平均 溫升為五個無量綱參數(shù)的函數(shù)，即有下式
(2)
[0042]其中，前三個無量綱參數(shù)均在變光斑穩(wěn)態(tài)拉曼法中測得;th為激光脈沖寬度;辦為 基底材料的熱擴散率，為已知量;asup為有支撐納米材料的熱擴散率。保持激光功率和光斑 半徑不變，將脈沖激光測得的瞬態(tài)溫升與連續(xù)激光測得的穩(wěn)態(tài)溫升作比值，或者將不同脈 沖寬度下測得的瞬態(tài)溫升作比值，即可消去激光吸收系數(shù)并從瞬態(tài)溫升與穩(wěn)態(tài)溫升的比值 中提取有支撐納米材料的熱擴散率(a sup)。
[0043] (3)激光吸收系數(shù)的測量方法
[0044] 根據(jù)式（1)和（2)可知，在測得納米材料熱傳導(dǎo)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)拉曼光譜測得 的平均溫升與樣品的激光吸收系數(shù)m有關(guān)。實驗中保持激光光斑半徑不變，改變激光入射 功率并獲得樣品溫升一激光入射功率曲線，結(jié)合測得的熱傳導(dǎo)特性，即可獲得有支撐納米 材料的激光吸收系數(shù)m。
[0045] 2、測量懸架納米材料的技術(shù)方案
[0046] 納米材料樣品搭接在熱沉之間，高斯激光加熱懸架納米材料中心時，熱量將依次 通過懸架部分納米材料和有支撐部分納米材料傳遞至熱沉。先測量有熱沉支撐區(qū)域的納米 材料的熱導(dǎo)率、熱擴散率及界面熱阻，根據(jù)有支撐納米材料熱傳導(dǎo)特性的測量結(jié)果可以計 算等效接觸熱阻和接觸熱容;進而用激光照射懸架納米材料中心位置，依次利用變光斑穩(wěn) 態(tài)拉曼法和閃光拉曼法測量懸架納米材料的熱導(dǎo)率和熱擴散率，最后結(jié)合溫升一激光入射 功率曲線，獲得懸架納米材料的激光吸收系數(shù)。
[0047] (1)變光斑穩(wěn)態(tài)拉曼法
[0048]連續(xù)激光加熱懸架納米材料中心時，無量綱分析表明，懸架納米材料的無量綱穩(wěn) 態(tài)平均溫升為三個無量綱參數(shù)的函數(shù)
(3)
[0050]其中，0sus,st,m為懸架納米材料的穩(wěn)態(tài)平均溫升，通過拉曼光譜頻移直接測得;η和P 分別為懸架納米材料的激光吸收系數(shù)和入射激光功率;b和ro分別為懸架部分納米材料的 尺寸和激光光斑半徑;d為納米材料厚度;和g分別為支撐部分納米材料的熱導(dǎo)率和有支 撐材料與熱沉基底間單位面積的界面熱導(dǎo)，均在納米材料的有支撐部分直接測得;為懸 架納米材料的熱導(dǎo)率。保持激光入射功率不變，改變激光光斑半徑，將不同光斑半徑下測得 的穩(wěn)態(tài)溫升作比值，即可消去激光吸收系數(shù)并從至少一組穩(wěn)態(tài)溫升比值中提取懸架納米材 料的熱導(dǎo)率(X sus)。
[0051 ] (2)閃光拉曼法
[0052]矩形脈沖激光加熱懸架納米材料中心時，懸架納米材料的無量綱瞬態(tài)平均溫升為 五個無量綱參數(shù)的函數(shù)，即有下式
(4)
[0054]其中，asup和asus分別為支撐部分和懸架部分納米材料的熱擴散率;前四個無量綱 參數(shù)均為已知量。保持激光功率和光斑半徑不變，將脈沖激光測得的瞬態(tài)溫升與連續(xù)激光 測得的穩(wěn)態(tài)溫升作比值，或者將不同脈沖寬度下測得的瞬態(tài)溫升作比值，即可消去激光吸 收系數(shù)并從瞬態(tài)溫升與穩(wěn)態(tài)溫升的比值中提取懸架納米材料的熱擴散率(a sus)。
[0055] (3)激光吸收系數(shù)的測量方法
[0056] 根據(jù)式(3)和(4)可知，在測得納米材料熱傳導(dǎo)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)拉曼光譜測得 的平均溫升與樣品的激光吸收系數(shù)η有關(guān)。實驗中保持激光光斑半徑不變，改變激光入射功 率并獲得樣品溫升一激光入射功率曲線，結(jié)合測得的熱傳導(dǎo)特性，即可獲得懸架納米材料 的激光吸收系數(shù)η。
[0057] 圖2為矩形脈沖激光序列示意圖，樣品在激光脈沖時間內(nèi)升溫，并在脈沖間隔時間 內(nèi)充分冷卻至環(huán)境溫度。圖3給出了高斯分布激光加熱有基底支撐納米材料的示意圖，其 中，101為激光功率密度的空間分布規(guī)律，102為有基底支撐的納米材料，103為支撐基底，入 射激光功率部分被有支撐納米材料吸收，部分透過納米材料照射在基底上，在基底表面被 基底吸收并發(fā)生反射，反射激光還可能和入射激光發(fā)生干涉，光學(xué)過程較為復(fù)雜。因此，有 基底支撐納米材料和基底都將產(chǎn)生溫升，并且納米材料和基底之間通過界面熱導(dǎo)進一步傳 遞熱量。
[0058]圖4給出了高斯激光加熱懸架納米材料示意圖，其中，201為納米材料的溫度分布 示意曲線，202為高斯分布的激光功率密度，203為有熱沉(基底)支撐區(qū)域納米材料，204為 懸架區(qū)域納米材料，205為熱沉基底。納米材料搭接在熱沉基底之間，部分區(qū)域為懸架狀態(tài)， 另一部分為有基底(熱沉)支撐狀態(tài)。當(dāng)高斯分布激光照射在圓形懸架區(qū)域中心時，熱量將 依次通過懸架部分納米材料和有支撐部分納米材料傳導(dǎo)至熱沉。
[0059] 圖5給出了系統(tǒng)拉曼光譜法測試平臺示意圖，其中，1為半導(dǎo)體激光器，2為信號發(fā) 生器，3為帶通濾光片，4和5為反射鏡，6為物鏡，7為待測樣品，8為真空溫控臺，9為截止濾光 片，10為反射鏡，11為拉曼光譜儀光柵，12為CCD，13為計算機，14為真空栗和防振系統(tǒng)，利用 信號發(fā)生器調(diào)制半導(dǎo)體激光器并產(chǎn)生脈沖寬度和脈沖間隔均可調(diào)的脈沖激光。
[0060] 應(yīng)用本發(fā)明提出的系統(tǒng)拉曼光譜法測量了有硅片支撐和圓形懸架石墨烯的熱傳 導(dǎo)特性和激光吸收系數(shù)，測量步驟如下：
[0061 ] 1、利用激光功率恒定的連續(xù)激光加熱石墨稀樣品，同時基于石墨稀的拉曼光譜測 量樣品的穩(wěn)態(tài)溫升，并改變物鏡與石墨烯樣品的豎直距離，由此改變照射到樣品上的光斑 尺寸。將不同光斑半徑下的測得的石墨烯穩(wěn)態(tài)溫升與最小光斑半徑下測得的穩(wěn)態(tài)溫升作比 值，得到穩(wěn)態(tài)溫升比值隨光斑半徑的變化規(guī)律，通過最小二乘擬合從穩(wěn)態(tài)溫升比值一光斑 半徑曲線中提取樣品的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)特性。圖6和7分別給出了有硅片支撐和圓形懸架石墨烯 的穩(wěn)態(tài)溫升比值隨光斑半徑的變化規(guī)律和穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)特性的擬合結(jié)果。
[0062] 2、利用脈沖激光加熱石墨烯樣品，測量中保持脈沖激光的峰值功率和光斑半徑不 變，同時基于石墨烯的拉曼光譜測量樣品的瞬態(tài)溫升，將不同脈沖寬度下測得的瞬態(tài)溫升 與連續(xù)激光測得的穩(wěn)態(tài)溫升作比值，得到歸一化瞬態(tài)溫升隨激光脈沖寬度的變化規(guī)律，通 過最小二乘擬合從歸一化瞬態(tài)溫升一脈沖寬度曲線中提取樣品的熱擴散率。圖8和9分別給 出了有硅片支撐和圓形懸架石墨烯的歸一化瞬態(tài)溫升隨脈沖寬度的變化規(guī)律和樣品熱擴 散率的擬合結(jié)果。
[0063] 3、在測得同一石墨烯樣品的熱傳導(dǎo)特性的基礎(chǔ)上，利用連續(xù)激光加熱樣品并改變 激光入射功率，獲得樣品的穩(wěn)態(tài)溫升一激光入射功率曲線的斜率，據(jù)此測量樣品的激光吸 收系數(shù)。圖10給出了圓形懸架石墨烯樣品的穩(wěn)態(tài)溫升隨激光入射功率的變化規(guī)律和線性擬 合結(jié)果，測得圓形懸架單層石墨烯的激光吸收系數(shù)為〇. 021，與理論預(yù)測值0.023相近。
[0064] 本發(fā)明不僅局限于上述【具體實施方式】，本發(fā)明中提出的系統(tǒng)拉曼光譜法測試原理 可廣泛應(yīng)用于本領(lǐng)域及與之相關(guān)的其它領(lǐng)域，可以采用其它多種【具體實施方式】實施本發(fā) 明。因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計思想，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本發(fā)明保 護的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼光譜法，其特征 在于，依次測量同一納米材料樣品的有支撐段和懸架段，實現(xiàn)同一樣品有支撐段和懸架段 的對比測量，其中有支撐段在真空環(huán)境或大氣壓下測量，懸架段在真空環(huán)境測量，具體測量 方法如下： 先利用連續(xù)激光加熱樣品并多次改變激光光斑尺寸，基于樣品的拉曼光譜測量樣品溫 度，將不同光斑尺寸下測得的穩(wěn)態(tài)溫升作比值，消去樣品的激光吸收系數(shù)，并基于耦合基底 的完整導(dǎo)熱模型從穩(wěn)態(tài)溫升比值中提取納米材料的熱導(dǎo)率、納米材料與基底之間的界面熱 導(dǎo)，該步驟稱為變光斑穩(wěn)態(tài)拉曼法； 再用脈沖激光加熱樣品并多次改變脈沖激光的脈沖寬度，將不同脈沖寬度下測得的瞬 態(tài)溫升作比值，或者將瞬態(tài)溫升與穩(wěn)態(tài)溫升作比值，消去激光吸收系數(shù)，并從瞬態(tài)溫升比值 中提取納米材料的熱擴散率，該步驟稱為閃光拉曼法； 最后，在測得納米材料的熱傳導(dǎo)特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合樣品的溫升一激光入射功率曲線 的斜率，測量有支撐和懸架納米材料樣品的激光吸收系數(shù)，即其光學(xué)特性。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼 光譜法，其特征在于，所述納米材料為一維材料或二維材料，所述納米材料的支撐基底為熱 傳導(dǎo)特性已知的體材料，所述一維材料包括單根碳納米管和娃納米線，所述二維材料包括 石墨烯、單層二硫化鉬、單層氮化硼以及單層黑磷，所述體材料包括硅、碳化硅、氮化硅以及 石英。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼 光譜法，其特征在于，所述連續(xù)激光是通過Ar7Kr +離子激光器或半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光 功率恒定的激光，其激光功率在空間上呈高斯分布;所述多次改變連續(xù)激光的光斑尺寸，是 指利用不同放大倍數(shù)的物鏡，或者改變同一物鏡與待測樣品之間的豎直距離，從而多次改 變照射到樣品上的光斑尺寸。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼 光譜法，其特征在于，所述將不同光斑半徑下測得的穩(wěn)態(tài)溫升作比值，是指利用不同光斑半 徑的連續(xù)激光加熱樣品，同時根據(jù)樣品的拉曼光譜測量光斑尺寸內(nèi)的平均溫度，將測得的 穩(wěn)態(tài)溫升作比值，從而消去樣品的激光吸收系數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼 光譜法，其特征在于，所述基于耦合基底的完整導(dǎo)熱模型是指:有支撐納米材料的導(dǎo)熱模型 中，考慮納米材料與基底之間通過界面熱導(dǎo)傳遞熱量，并且納米材料和基底均吸收激光能 量;懸架納米材料的導(dǎo)熱模型中，考慮熱量依次經(jīng)過懸架區(qū)域納米材料和有支撐區(qū)域納米 材料并最終傳導(dǎo)至基底，懸架區(qū)域與有支撐區(qū)域納米材料在連接處滿足溫度和熱流連續(xù)條 件，有支撐區(qū)域納米材料通過界面熱導(dǎo)向基底導(dǎo)熱。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼 光譜法，其特征在于，所述脈沖激光是利用電光調(diào)制器調(diào)制Ar7Kr +離子激光器產(chǎn)生的激光， 或利用信號發(fā)生器數(shù)字調(diào)制半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光，從而產(chǎn)生矩形脈沖激光序列，并且 可以調(diào)節(jié)脈沖激光的脈沖寬度和脈沖間隔時間；所述改變脈沖激光的脈沖寬度，是指利用 電光調(diào)制器調(diào)制離子激光器，或利用信號發(fā)生器調(diào)制半導(dǎo)體激光器時，通過設(shè)置電光調(diào)制 器或信號發(fā)生器的參數(shù)來改變矩形脈沖激光的脈沖寬度，同時保證脈沖間隔時間足夠長， 使得樣品可以在脈沖間隔時間內(nèi)充分冷卻至環(huán)境溫度。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼 光譜法，其特征在于，所述將不同脈沖寬度下測得的溫升做比值，是指利用不同脈沖寬度的 脈沖激光加熱樣品并根據(jù)樣品的拉曼光譜測得瞬態(tài)溫升，將不同脈沖寬度下測得的瞬態(tài)溫 升作比值，或者將瞬態(tài)溫升與連續(xù)激光或脈沖寬度足夠長的脈沖激光加熱測得的穩(wěn)態(tài)溫升 作比值，從而消去樣品的激光吸收系數(shù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼 光譜法，其特征在于，所述激光吸收系數(shù)，是指有支撐和懸架納米材料吸收的激光功率與激 光入射功率的比值，所述納米材料的溫升一激光入射功率曲線的斜率，是指在光斑尺寸不 變的條件下，多次改變激光入射功率并根據(jù)樣品的拉曼光譜測得溫升，樣品溫升隨激光入 射功率線性變化，從溫升一激光入射功率曲線的斜率中獲得單位激光入射功率加熱樣品時 引起的樣品溫升。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉曼 光譜法，其特征在于，所述激光吸收系數(shù)的測量方法是:先根據(jù)測得的熱傳導(dǎo)特性推算單位 激光加熱量引起的樣品溫升，再從實驗測得的樣品溫升一激光入射功率曲線中獲得單位激 光入射功率引起的樣品溫升，將二者相比較，獲得激光加熱量與激光入射功率的比值，即樣 品的激光吸收系數(shù)。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導(dǎo)及光學(xué)特性的系統(tǒng)拉 曼光譜法，其特征在于，所述真空環(huán)境為壓力小于l(T 3Pa的真空腔環(huán)境，通過機械栗和分子 栗兩級抽濾實現(xiàn)，該環(huán)境中，樣品向環(huán)境的輻射和對流熱損失可以忽略。
【文檔編號】G01N21/65GK106018377SQ201610298840
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】張興, 李秦宜, 馬維剛, 胡玉東
【申請人】清華大學(xué)