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时域热反射测量方法(TDTR)

yanxuejun111

TDTR系统是一种基于抽运-探测超快光学原理的,用于测量多种材料热学性能的非接触法。在进行TDTR测量之前,每个试样需要在表面镀一层~80nm厚度的Al膜以用作光学传感器。同时,Al膜的厚度也通过皮秒声学得以确定2。钛宝石激光振荡器(Coherent chameleon Vision-S)输出一系列脉冲宽度~170飞秒、重复频率80MHz的脉冲激光。激光束通过偏振分光器(PBS)被分为抽运光和探测光,两束光具有正交的偏振方向。抽运光的波幅经由~9.8MHz电光调制器(EOM,Conoptics 350)调制后通过4×物镜聚焦到Al膜传感器的表面。探测光在经过一个时间延迟τ后入射到同一表面,这个时间延迟主要是通过调整600mm位移平台(Thorlabs DDS600)实现,一般为100~4000ps。Τ=0时,利用刀口法测得抽运光和探测光的半径分别为9.9和9.5μm3。由于有焦距2m的凸透镜的瞄准,当τ达到4000ps时抽运光半径的误差小于15%4。我们用数学模型的时间加权平均数来表示抽运光的半径变化,这是一个延迟时间的函数。探测光束的反射信号中含有射频分量(由于抽运光对光学传感器的~9.8MHz周期性加热),这些分量被Si光探测器收集并经由射频锁相放大器(Zurich Instruments, HF2LI)分析。收集到的信号中同相分量Vin与异相分量Vout的比值(–Vin/Vout)(这是一个与τ相关的量)与被测材料系统的热学性质密切相关,可以与基于扩散傅里叶方程4,5的数字模型相互匹配,从而获得大块材料或薄膜材料的热导率。

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硅基纳米声子晶体的热输运研究

Theoretical calculation

(a) 硅基纳米声子晶体的单胞结构和声子平均自由程的分布图. (b) 硅基纳米声子晶体的声子色散. (c) 硅基纳米声子晶体热导率的理论计算结果.
应用领域:人工微/纳结构的热输运性质的理论研究与结构设计

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利用3ω法测量薄膜的热导率

3omega method

(a) 3ω法实验原理及示意图. (b)实验电路图. (c) Differential 3ω法测量SiO2薄膜的实验结果. (d) Slope 3ω法测量SiO2薄膜的实验结果.
应用领域:薄膜/超晶格材料的热导率,界面接触热阻

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低维纳米材料的热电性能测量

Seebeck coefficient measurement of thin films

(a) 纳米结构热电性能测试的实物示意图和电路图. (b) Bi2Te3纳米线的热电测试的器件. (c) Bi2Te3纳米薄膜的Seebeck系数测量的实验结果.
应用领域:纳米线,纳米带,二维材料,薄膜/超晶格的热电性能

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超晶格晶体的热电性能

fig3.4

Figure 3.2.1 Schematic of transport in super-lattice structures

具有热电功能应用的大块均质材料的研究起源于20世纪50年代,但近几十年内它的发展十分有限。通过引入基于纳米结构的材料和概念,尤其是超晶格结构,这个领域已经在过去的15年内取得了长足的进展。以量子阱和超晶格为形式的半导体纳米制造如今在商业产品(如高电子迁移率晶体管、光盘激光二极管和固态制冷器)中具有重要地位。纳米结构导致的量子限域效应和声子密集散射被用于显著提升热电性能(Figure 3.2.1)。我们现在把ZT3~4作为目标,致力于使这些固态系统拥有和传统换能系统一样的竞争力。