面内热导率测试系统 WildFire ONE

面内热导率测试系统 WildFire ONE

面内热导率测试系统 WildFire ONE简介：

面内热导率测试系统 WildFire ONE 基于“泵浦-探测”原理，结合了频域热反射、空间域热反射、稳态温升法、方脉冲热源法的优点，具有强大的热物性综合测试能力，能够测量从薄膜到块体材料的热导率、比热容和界面热阻。系统自动化程度高，操作简便，特别利于大批量快速测量。

• 可测参数多

• 可测范围广

• 测量精度高

• 操作简便

• 支持定制

• 终身技术支持

面内热导率测试系统 WildFire ONE基本原理：

基于光学的交流量热法

• 样品表面镀100 nm厚的金属膜做温度传感层；

• 经调制的泵浦光周期性加热样品；

• 探测光测量距离泵浦光不同位置处的温度响应的幅值与相位；

• 由相位差信号和归一化幅值信号同时拟合样品面内热导率和光斑尺寸；

• 热导率测量误差≤ 5%，光斑尺寸测量误差≤ 2%。

100 nm Ti/silica：

面内热导率测试系统 WildFire ONE亮点

1. 泵浦与探测光均采用连续激光，极大地降低了系统成本；

2. 无需修正泵浦光的参考相位，使得操作更简单，测量更可靠；

3. 采用平衡探测器，极大减小了低频噪音，加快了数据采集速度，完成一个样品的测量仅需≤ 2分钟；

4. 独特的数据分析方法能同时拟合光斑尺寸，降低了光斑尺寸误差对测量结果的影响；

5. 独特的数据分析方法使得测量信号仅对待测样品的面内热导率和比热容敏感，而无需准确知道金属传感层的参数或样品的纵向热导率，因此极大提高了测量精度；

6. 可测的面内热导率范围不受限制；

7. 采用微米级的光斑尺寸，因此可测径向尺寸为亚毫米级别的小尺寸样品。

面内热导率测试系统 WildFire ONE 应用领域：

①材料研究与开发

②能源领域

③电子器件研究

……

标配系统测量能力：

1. 无需知道样品的纵向热导率，可独立测量样品的面内各向异性热导率张量，面内热导率测量范围0.5 − 5000 W/(m·K)，测量误差≤ 5%；

2. 无需知道样品的比热容，可独立测量样品的平均热导率，测量范围0.05 − 5000 W/(m·K)，测量误差≤10%；

3. 对各向同性样品，可同时测量其热导率与体积比热容，热导率测量范围0.05 − 5000 W/(m·K)， 比热容测量范围0.1 − 10 MJ/(m³·K)，测量误差≤ 10%；

4. 可测薄膜样品从100 nm到无限厚；

5. 可测小尺寸样品，径向直径≥ 0.05 mm；

6. 要求样品表面粗糙度≤ 15 nm。

升级系统额外测量能力：

7. 热导率和比热容的成像，分辨率达1 μm；

8. 界面热阻测量

系统基本情况：

1. 系统占光学桌面积60 cm X 60 cm，封装于黑匣中，防尘又安全。

2. 自动化实验测量，全程软件操作，无需开箱进行复杂的手动调节。

3. 双色泵浦-探测系统，标配的探测光波长为785 nm。

4. 泵浦光调制频率的标配范围为DC-5 MHz，可升级到50 MHz或150 MHz。

5. 采用平衡光电探测器提高信噪比，加快数据采集速度。

6. 自动校准泵浦相位（仅频域热反射法需要）和探测光的噪音。

7. ccd显微成像系统清楚观察样品表面和光斑位置。

系统配置：

电源需求：110/220 VAC, 50/60 Hz, 15 Amp

激光波长：泵浦638 nm，探测785 nm（标配，可根据用户需求选配）

激光功率：泵浦100 mW，探测20 mW（标配，可根据用户需求选配）

调制频率范围：标配DC-5 kHz，可升级到5 MHz、50 MHz或200 MHz

显微镜头：标配10x，对应激光光斑1/e²直径约～15μm，可增配50x，20x，5x，2x镜头及自动切换模块

样品聚焦：标配手动调节，可增配PID反馈调节自动聚焦模块

测温范围：标配室温，可增配80-500 K、300-1200 K、4-300 K等不同温区的变温模块

热物性扫描：标配无，可选配，扫描范围200μm×200μm，步进分辨率1 nm

显微成像：标配，可观察样品表面状况及激光光斑位置

软件：全自动数据测量与分析处理、数据导出、报告生成

测量要求：

首先要确定样品的金属传感层的金属材料在SDTR的探测光束的波长处有较高的热反射系数，对于常见的金属材料的热反射系数见下图(b)；同时还要考虑传感层的金属材料对SDTR泵浦光有较高的吸收系数(a)。

图：常见金属材料对光的吸收系数(a)和热反射系数(b)

对于SDTR的样品还要保证表面光滑均匀，这样不仅方便照射至样品的探测光束能更好地被反射至探测器中，还能使在SDTR同一次测试扫描的空间范围内不会因表面粗糙度的不均匀而带来较大的数据误差，至少保证在一次的SDTR测试的扫描空间范围内的粗糙度是均匀的；这也限制了样品的理论尺寸下限，该范围的大小跟聚焦在样品处的光斑大小相关，例如泵浦和探测光斑直径若为10μm，则该范围约为直径100μm的圆形区域，但为了方便样品的放置实际测试样品的大小可根据需求可更大，但不能小于该尺寸下限。

此外对于样品的金属传感层的热导率也有要求，如果金属传感层具有比样品层高很多的热导率，热量将在传播到样品之前就在金属层的面内热传导，而不是样品层。在这种情况下，相位对金属层面内热导率的敏感度会增加，而对样品层的面内热导率的敏感度将降低。所以不利于面内热导率的测量，会导致测量结果与实际的有较大的差异。如果要保证对样品的面内热导率较高的测量精度（或者较高的敏感性），则建议金属层的热导率不高于样品层的10倍，这限制了对于某一种金属作为传感层时能测得的样品层热导率下限，比如以Al膜(240W/(K·m))作为传感层时测试样品的的热导率建议不低于24W/(K·m)；如果要测试热导率低于该值的样品建议更换较低热导率的传感层，并且尽可能保证其他对于样品传感层的要求(例如较高的探测光波长热反射系数和泵浦光波长的吸收系数、粗糙度)。

应用案例：

光学交流量热法测量面内热导率

可测热导率范围1~2000 W/(m·K)，误差均小于5%

以蓝宝石、单晶硅为例：

• 测得蓝宝石热导率为= 38 ± 1.49 W/(m·K)，误差为3.9%

• 测得单晶硅热导率为= 147 ± 4.88 W/(m·K)，误差为3.3%

光学交流量热法测量面内各向异性热导率张量

面内各向异性材料

以石英晶体为例：

• 光学交流量热法不要求激光光斑有严格的圆度即能准确测量面内热导率张量，相较于文献中较新的光斑偏移频域热反射法(BO-FDTR)*测量更准确可靠。

*L. Tang and C. Dames, Int. J. Heat Mass Transfer 164, 120600 (2021).

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