[发明专利]基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于材料热物性的光学测量技术领域，具体涉及基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统及方法。

背景技术

随着薄膜材料合成与加工工艺的迅速发展，薄膜材料已经被广泛运用于微机械和微电子器件等领域。进行热物性分析，揭示热运输机理，对薄膜材料研究和发展具有重要意义。然而宏观尺度下用于测量和分析材料热物性的方法在微纳尺度下已不再适用。开发针对薄膜材料的新型热测量方法已成为国内外研究的热点之一。目前针对薄膜材料的热测量方法可以划分为接触式和非接触式两类。接触式方法一般采用电加热的方式进行，通电过程中可能会造成样品损坏，电极联接处也易产生接触热阻产生实验误差。而非接触式方法一般采用光学热测量方法。

现有的光学热测量技术主要基于光的吸收、反射、散射、辐射等原理。其中，基于光吸收原理实现热测量的光声技术，可用于固体材料热物性的测量，但其受光强变化影响大，材料表面的光反射会造成一定的误差^[1]；基于光反射原理实现热测量的泵浦-探测(pump-probe)技术，需要对样品进行金属镀膜等前处理步骤^[2]；基于热辐射的热测量技术对材料发射率有一定要求，背景辐射也会引入一定的误差^[3]；基于拉曼散射的热测量技术，其激发效率很低，信号较难获取，对材料和仪器设备要求较高^[4]。

而荧光光谱具有较高的信号强度，可根据光谱的峰值强度、峰位移、半峰宽、荧光寿命等特征的温度相关性进行热物性测量。其中峰值强度受激发光源的影响较大，峰位移和半峰宽测量误差较大，而荧光寿命一般是温度的单值函数，一般不受诸如激光或荧光强度扰动、荧光剂分布不均匀、荧光剂的光漂白以及其他有碍荧光强度的因素的影响。时间相关单光子计数(TCSPC)是目前主流的荧光寿命成像和光谱分析方法，具有较高的探测灵敏度和时间分辨率。目前已有多种基于荧光寿命的测温方法，但利用荧光寿命直接进行热物性的测量和研究，目前尚未有相关报道。

文中涉及如下参考文献：

[1]Wang X,Hu H,Xu X.Photo-acoustic measurement of thermal conductivity of thin films and bulk materials.TRANSACTIONS-AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS JOURNAL OF HEAT TRANSFER.2001；123(1):138-44.

[2]Hu Y,Zeng L,Minnich AJ,Dresselhaus MS,Chen G.Spectral mapping of thermal conductivity through nanoscale ballistic transport.Nature nanotechnology.2015；10(8):701-6.

[3]Monte C,Gutschwager B,Morozova S,Hollandt J.Radiation thermometry and emissivity measurements under vacuum at the PTB.International journal of thermophysics.2009；30(1):203.

[4]Balandin AA,Ghosh S,Bao W,Calizo I,Teweldebrhan D,Miao F,et al.Superior thermal conductivity of single-layer graphene.Nano letters.2008；8(3):902-7.

发明内容

本发明的目的是提供基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统及方法。

本发明基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统，包括探测光源、加热光源、光子探测器、时间相关单光子计数器和计算单元；

所述探测光源为窄脉宽、高重频的激光器，用来照射薄膜样品以对薄膜样品进行荧光激发；

所述加热光源为可调制激光器，用来照射薄膜样品以对薄膜样品进行瞬态加热；

所述光子探测器用来探测荧光激发的荧光信号；

所述时间相关单光子计数器与所述光子探测器信号连接，用来记录荧光激发的单光子信号；

所述计算单元与所述时间相关单光子计数器信号连接，用来根据所述时间相关单光子计数器记录的单光子信号进行薄膜样品热物性计算。