低维材料的热导率测试方法和测试系统技术方案

本发明专利技术提供一种低维材料热导率测试方法及测试系统，所述热导率基于拉曼光谱测试获得，该方法包括：加热待测低维材料，测定多个温度下的拉曼特征峰频值，以得到一阶温度系数；激光照射待测低维材料，测定多个激光功率下的拉曼特征峰频值，以得到变功率系数；依据一阶温度系数和变功率系数确定所述待测低维材料的热导率。该方法所采用的拉曼光谱传热测试技术，具有相对较高的空间分辨率，测试结果更加精确，且样品表面损害小、光路容易搭建，同时样品制备容易、数据处理简单、测量结果较为准确，特别适合低维材料，尤其是二维材料的传热研究，具有良好的工业应用前景。

Test method and system of thermal conductivity for low dimensional materials

【技术实现步骤摘要】
低维材料的热导率测试方法和测试系统
本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种低维材料的热导率测试方法和测试系统。
技术介绍
随着半导体工业的发展，芯片功率、射频、集成度等指标不断提升，从而产生了极高的芯片功耗，其会导致器件温度的急剧增加与器件性能及可靠性等指标的迅速恶化。微纳器件工作时的热效应导致大功率芯片的性能优势未能充分发挥，热管理已经成为制约以氮化镓(GaN)为代表的大功率器件进一步发展和应用的最大瓶颈。低维薄膜材料对微纳器件而言不可或缺，其热导率直接限制了器件的散热性能。因此，研究低维材料的传热性质，提高低维薄膜材料的热导率，进而让微纳器件始终在最优温度下运行，是半导体工业继续向前进步所必需解决的一大难题。低维材料的导热性质受到诸多因素的影响，这些因素包括薄膜厚度、晶粒尺寸及表面带来的尺寸效应、薄膜制备方法、测试温度和薄膜的各向异性等。目前针对低维材料薄膜及界面热性能的研究报道较少，这往往是由于适合于热测试技术的样品制备困难，且微纳尺度薄膜材料的测试技术也未有统一的标准，大多数低维尺度下的传热测量方法还处于实验室研发阶段。目前已有报道的适用于低维材料的传热测量方法包括时域热反射(TDTR)法、3ω微桥法等，例如，TDTR法的原理是利用飞秒激光对样品进行加热，在ps级时间内用探测光对样品表面的反射率进行测量，利用表面反射率随时间的变化来获取温度变化趋势从而获取材料的热学性质。然而，该方法的待测样品表面需要蒸镀吸热层，导致其测试精确性受影响，且测试台需自行搭建，测试复杂、经济性较差；3ω微桥法是通过电极结构设计，对待测材料施加以ω频率震荡的交流电，使加热功率以2ω频率震荡，温度和电阻也以2ω频率震荡，反馈出3ω的电压信号，从而获得待测材料的热学性质。该方法能将热学信号转化为稳定的电学信号，易于获取和处理，但却受限于加热频率范围，热穿透深度大，对10nm以下的薄膜材料测试不够准确，对样品破坏较大，需另外制作电极搭建回路等，因此样品制备困难，测试过程中也需要较高的专业技术，故也不适用于半导体器件低维薄膜材料的热导率测试。可见，如何固化测试流程、简化测试过程、统一测试规范是微纳尺度传热测量方法面临的极大挑战。需注意的是，前述
技术介绍
部分公开的信息仅用于加强对本专利技术的背景理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
本专利技术的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种新的基于微区拉曼的低维材料热导率测试方法和系统，以解决现有低维材料操作流程复杂、样品损伤大、测量结果误差大等种种问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供一种低维材料热导率测试方法，热导率基于拉曼光谱测试获得，包括步骤如下：加热待测低维材料，测定多个温度下的拉曼特征峰频值，以得到一阶温度系数；激光照射待测低维材料，测定多个激光功率下的拉曼特征峰频值，以得到变功率系数；依据一阶温度系数和变功率系数确定待测低维材料的热导率。根据本专利技术的一个实施方式，一阶温度系数通过下式获得：χ＝Δω/ΔT其中，χ为一阶温度系数，Δω为低维材料拉曼特征峰频值偏移量，ΔT为温度偏移差量；以25℃下采集的拉曼特征峰频值为初始值，温度测试范围为-80℃～25℃，温度测试间距为5℃～10℃。根据本专利技术的一个实施方式，变功率系数为δω/δp，其中δω为低维材料拉曼特征峰频值偏移量，δp为激光功率偏移差量；以100μw采集的拉曼特征峰频值为初始值，激光功率测试范围为100μw～300μw，激光功率测试间距为5uw～30uw。根据本专利技术的一个实施方式，热导率通过下式确定：κ＝χ(1/2πh)(δω/δp)-1其中，κ为热导率，χ为一阶温度系数，δω/δp为变功率系数，h为待测低维材料的厚度。根据本专利技术的一个实施方式，所述低维材料为二维材料，所述二维材料选自二硫化铼、碲化镓、硫化钨和碲化钨中的一种或多种，所述二维材料的层数为10～30层。根据本专利技术的一个实施方式，还包括：将所述待测低维材料转移到具有多个孔洞的基底后，再进行所述加热或所述激光照射，其中所述待测低维材料覆盖于至少一个所述孔洞上，所述孔洞的直径为5μm～10μm。根据本专利技术的一个实施方式，所述转移待测低维材料的方法为干法转移。根据本专利技术的一个实施方式，所述测定多个激光功率下的拉曼特征峰频值包括：使多个功率下的激光分别通过高倍镜头聚焦于位于所述孔洞上的待测低维材料，以使激光照射部分的材料局部温度升高并达到平衡，获得多个激光功率下对应的拉曼特征峰频值。本专利技术还提供一种低维材料热导率测试系统，包括：基底、基底加热模块、变功率模块和拉曼测试系统，其中，基底用于放置待测低维材料；基底加热模块配置为获取特定温度下的待测低维材料的拉曼特征峰频值；变功率模块配置为获取特定功率下的待测低维材料的拉曼特征峰频值；拉曼测试系统配置为采集和计算拉曼特征峰频值，以确定待测低维材料的热导率。根据本专利技术的一个实施方式，基底表面具有多个孔洞，待测低维材料覆盖于至少一个孔洞上。由上述技术方案可知，本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出的低维材料热导率测试方法是基于拉曼光谱测温原理，通过分别构建加热模块和变功率模块，获得低维材料的一阶温度系数和变功率系数，从而实现低维材料的热导率分析；该方法所采用的拉曼光谱传热测试技术，具有相对较高的空间分辨率，同时对于透明材料可进行三维空间的温度分布测试，使得测试结果更加精确。其样品表面损害小、光路容易搭建，同时样品制备容易、数据处理简单、测量结果较为准确，特别适合低维材料，尤其是二维材料的传热研究，具有良好的工业应用前景。附图说明以下附图用于提供对本专利技术的进一步理解，并构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。图1是本专利技术提出的一示例性实施方式的低维材料热导率测试方法；图2是本专利技术提出的一示例性实施方式的低维材料热导率测试系统；图3为GaTe材料的zigzag和armchair方向功率—拉曼特征峰频值测试图；图4为GaTe材料的zigzag和armchair方向温度—拉曼特征峰频值测试图。具体实施方式体现本专利技术特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本专利技术能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本专利技术的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本专利技术。在对本专利技术的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本专利技术的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本专利技术的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解的是，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本专利技术范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“之上”、“之间”、“之内”等来描述本专利技术的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低维材料热导率测试方法，其特征在于，所述热导率基于拉曼光谱测试获得，包括步骤如下：/n加热待测低维材料，测定多个温度下的拉曼特征峰频值，以得到一阶温度系数；/n激光照射待测低维材料，测定多个激光功率下的拉曼特征峰频值，以得到变功率系数；/n依据所述一阶温度系数和所述变功率系数确定所述待测低维材料的热导率。/n

【技术特征摘要】
1.一种低维材料热导率测试方法，其特征在于，所述热导率基于拉曼光谱测试获得，包括步骤如下：
加热待测低维材料，测定多个温度下的拉曼特征峰频值，以得到一阶温度系数；
激光照射待测低维材料，测定多个激光功率下的拉曼特征峰频值，以得到变功率系数；
依据所述一阶温度系数和所述变功率系数确定所述待测低维材料的热导率。


2.根据权利要求1所述的低维材料热导率测试方法，其特征在于，所述一阶温度系数通过下式获得：
χ＝Δω/ΔT
其中，χ为一阶温度系数，Δω为低维材料拉曼特征峰频值偏移量，ΔT为温度偏移差量；以25℃下采集的拉曼特征峰频值为初始值，温度测试范围为-80℃～25℃，温度测试间距为5℃～10℃。


3.根据权利要求1所述的低维材料热导率测试方法，其特征在于，所述变功率系数为δω/δp，其中δω为低维材料拉曼特征峰频值偏移量，δp为激光功率偏移差量；以100μw采集的拉曼特征峰频值为初始值，激光功率测试范围为100μw～300μw，激光功率测试间距为5uw～30uw。


4.根据权利要求1所述的低维材料热导率测试方法，其特征在于，所述热导率通过下式确定：
κ＝χ(1/2πh)(δω/δp)-1
其中，κ为热导率，χ为一阶温度系数，δω/δp为变功率系数，h为待测低维材料的厚度。


5.根据权利要求1所述的低维材料热导率测试方法，其特征在于，所述低维材...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学骜，邓楚芸，卫月华，周敏，
申请(专利权)人：东莞烯事达新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44