课题组在热反射测试领域发表研究文章-2023.09.18

近日，武汉大学工业科学研究院袁超课题组在国际权威期刊《Journal of Applied Physics》上，发表了题为“Quantitative study on thermoreflectance linear relation”的研究论文。

对于大多数材料，在一定的温升范围(T_range)内，材料表面的反射率变化(∆R/R)和温度变化(∆T)成正比，这一现象被称为热反射(Thermoreflectance)效应。近几十年，基于材料的热反射效应，国际上开发了多种泵浦-探测热反射技术(Pump-probe thermorefletance)和热反射成像技术(Thermoreflectance thermal imaging)，目前已广泛应用于各种材料的热物性表征和器件的结温检测。

由于材料表面的反射率变化和温度变化之间的线性关系只在一定的T_range内才有效，如果在泵浦-探测热反射和热反射成像测试期间温升超过T_range，将导致严重的测试问题。但是长期以来由于缺乏有效的实验方法，T_range的定量研究一直被忽视，这极大阻碍了热反射技术在新材料领域的应用和发展。本文通过结合多探测波长纳秒瞬态热反射(MW-TTR)技术(如图1)和瞬态温升模型，首次提出了一种定量研究热反射线性关系的有效方法。

图1：MW-TTR系统示意图

本文定量研究了金(Au)、铝(Al)、镍(Ni)和钛(Ti)的T_range，分别为从室温到大约225 ^oC、150 ^oC、115 ^oC和115 ^oC。对于Al、Ni和Ti，当温升超过T_range时，∆R/R与∆T之间表现出明显的非线性。在上述T_range范围内，分别使用Au、Al、Ni和Ti作为金属传感层测量了蓝宝石(Sapphire)、硅(Si)和二氧化硅(SiO₂)衬底的热导率。结果表明，使用不同金属传感层测得的不同衬底的热导率基本一致。该结果证明了Ni和Ti用作热反射技术金属传感层的可行性。此外，文中定量测试了Au、Al、Ni和Ti在线性关系满足时的热反射系数C_th。本文测定的C_th值与文献报道值基本一致。而且，对于~10^{-5 o}C^-1量级的小C_th，测试精度<±10%。

该项成果报道了一种表征热反射线性关系的有效方法，该方法通过定量T_range来有效避免泵浦-探测热反射测试过程中的非线性效应，保证测试的准确度。此外，精确测试C_th对于表征器件温度的热反射成像技术至关重要，过去的C_th测试方法耗时长，且对于小C_th(~10^{-5 o}C^-1量级)的测试存在挑战，本文方法可以实现简单、快捷的C_th测试，而且对于小C_th的测试精度更高。

全文链接：https://pubs.aip.org/aip/jap/article/134/11/115102/2911616/Quantitative-study-on-thermoreflectance-linear。

论文详情：Biwei Meng, Yunliang Ma, Xinhua Wang, Chao Yuan^*, Quantitative study on thermoreflectance linear relation, Journal of Applied Physics, 134(11):115102, 2023. 论文第一作者为武汉大学工业科学研究院博士生孟弼伟，通讯作者为武汉大学袁超研究员，合作作者来自武汉大学工业科学研究院硕士生马运良和中国科学院微电子研究所的王鑫华研究员。