基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统及方法，所述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；探测光源用来照射薄膜样品以对薄膜样品进行荧光激发；加热光源用来照射薄膜样品以对薄膜样品进行瞬态加热；光子探测器用来探测荧光激发的荧光信号；时间相关单光子计数器与光子探测器信号连接，用来记录荧光激发的单光子信号；计算单元与时间相关单光子计数器信号连接，用来根据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。本发明专利技术简单易操作，测量方式灵活，灵敏度更高，可应用于生物、医学等领域，能在保证生物活性的同时，实现微小温度扰动下的热物性测量。

【技术实现步骤摘要】
基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统及方法
本专利技术属于材料热物性的光学测量
，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。
技术介绍
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]WangX,HuH,XuX.Photo-acousticmeasurementofthermalconductivityofthinfilmsandbulkmaterials.TRANSACTIONS-AMERICANSOCIETYOFMECHANICALENGINEERSJOURNALOFHEATTRANSFER.2001；123(1):138-44.[2]HuY,ZengL,MinnichAJ,DresselhausMS,ChenG.Spectralmappingofthermalconductivitythroughnanoscaleballistictransport.Naturenanotechnology.2015；10(8):701-6.[3]MonteC,GutschwagerB,MorozovaS,HollandtJ.RadiationthermometryandemissivitymeasurementsundervacuumatthePTB.Internationaljournalofthermophysics.2009；30(1):203.[4]BalandinAA,GhoshS,BaoW,CalizoI,TeweldebrhanD,MiaoF,etal.Superiorthermalconductivityofsingle-layergraphene.Nanoletters.2008；8(3):902-7.
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。作为优选，所述探测光源的出射光依次经第一聚光件、分光件后照射到薄膜样品上。作为优选，所述加热光源的出射光经第二聚光件后照射到薄膜样品上。作为优选，所述加热光源发射激光的波长范围避开薄膜样品的荧光激发波段。作为优选，所述荧光激发的荧光信号依次经第三聚光件、滤光件后，被所述光子探测器接收。作为优选，所述加热光源和所述探测光源位于所述薄膜样品的同侧，所述光子探测器对所述薄膜样品的加热面进行荧光信号探测。作为优选，所述加热光源和所述探测光源位于所述薄膜样品的两侧，所述光子探测器对所述薄膜样品加热面的背面进行荧光信号探测。本专利技术基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量方法，采用上述薄膜材料热物性测量系统，包括步骤：利用加热光源照射薄膜样品，以对薄膜样品进行瞬态加热；瞬态加热过程中，同时利用探测光源照射薄膜样品，以对薄膜样品进行荧光激发；利用时间相关单光子计数法记录荧光激发的单光子信号，并获取荧光寿命的衰减曲线，从而获取荧光寿命；根据预先标定的荧光寿命与温度的关系曲线，获得薄膜样品时间相关的温度信息；根据瞬态加热过程中薄膜样品时间相关的温度信息，利用瞬态导热模型，拟合薄膜样品的热扩散率。当薄膜样品不具有荧光激发效应时，在薄膜样品表面附着纳米荧光材料。进一步的，所述荧光寿命与温度的关系曲线采用如下方法预先标定：使薄膜样品在不同环境温度下达到温度稳定，测量各环境温度下薄膜样品的荧光寿命；对测量数据进行拟合，获得荧光寿命和温度的关系曲线。和现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术为非接触式光学热测量技术，具有非接触性和非破坏性的优点。和激光闪光法相比，本专利技术具有更高的时间分辨率和测温效率，测量方式更为灵活。(2)和泵浦探测法相比，本专利技术不需要对样品进行复杂的前处理。对荧光激发效率较低或无荧光效应的材料，可在其表面附着少量石墨烯量子点作为温度探针进行测温。(3)和拉曼光谱法相比，本专利技术的荧光激发效率更高，信号更易获取。同时，荧光寿命一般不受诸如激光或荧光强度扰动、荧光剂分布不均匀等因素的影响，应用广泛的单光子计数法也具有较高的探测灵敏度。(4)荧光寿命对温度有一定的敏感性，一些高分子纳米材料可以达到1℃以内的温度分辨率[5](参见文献[5]OkabeK,InadaN,GotaC,HaradaY,FunatsuT,UchiyamaS.Intracellulartemperaturemappingwithafluorescentpolymericthermometerandfluorescencelifetimeimagingmicroscopy.Naturecommunications.2012；3:705)。因此，本专利技术可进一步应用于生物、医学等领域，能在保证生物活性的同时，实现微小温度扰动下的热物性测量。附图说明图1为实施例中薄膜材料热物性测量系统的结构示意图；图2为实施例中时间相关单光子计数器的典型结构图；图3为荧光寿命衰减曲线和仪器响应函数曲线的示意图；图4为荧光寿命与温度的关系曲线的示意图；图5为测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统，其特征是：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。

【技术特征摘要】
1.基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统，其特征是：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。2.如权利要求1所述的基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统，其特征是：所述探测光源的出射光依次经第一聚光件、分光件后照射到薄膜样品上。3.如权利要求1所述的基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统，其特征是：所述加热光源的出射光经第二聚光件后照射到薄膜样品上。4.如权利要求1所述的基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统，其特征是：所述加热光源发射激光的波长范围避开薄膜样品的荧光激发波段。5.如权利要求1所述的基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统，其特征是：所述荧光激发的荧光信号依次经第三聚光件、滤光件后，被所述光子探测器接收。6.如权利要求1所述的基于荧光寿命的薄膜材料热物性测量系统，其特征是：所述加热光源和所述探...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳亚楠，吴昊，熊扬恒，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42