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原文传递二维各向异性纳米材料的热扩散率测定方法

专利名称：	二维各向异性纳米材料的热扩散率测定方法
摘要：	本发明公开了一种二维各向异性纳米材料的热扩散率测定方法，该方法包括以下步骤：使用连续加热激光加热样品表面，并使用光斑中心位置可调的连续探测激光探测样品表面的稳态平面温度分布，得到样品热扩散率的两个特征方向；使用加热脉冲激光对样品表面温度进行加热，使温度周期性改变，并使用光斑中心位置可调的探测脉冲激光获得两个特征方向上不同位置点的升温降温曲线；根据不同位置点的升温降温曲线，建立非稳态导热方程组进行拟合或利用锁相原理进行数据处理，获得样品的热扩散率。该方法为非接触式无损测量方法，能够同时得到两个特征方向的热扩散率，实现了厚度从单原子到几百nm非金属二维各向异性材料热扩散率的直接测量。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	清华大学
发明人：	张兴;张宇峰;樊傲然;王海东;马维刚
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-09T00:00:00+0800
申请号：	CN201910359382.X
公开号：	CN109991264A
代理机构：	北京清亦华知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	赵天月
分类号：	G01N25/18(2006.01);G;G01;G01N;G01N25
申请人地址：	100084 北京市海淀区清华园
主权项：	1.一种二维各向异性纳米材料的热扩散率测定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，使用连续加热激光加热样品的表面，并使用光斑中心位置可调的连续探测激光探测所述样品表面的稳态平面温度分布，以得到所述样品热扩散率的两个特征方向；步骤S2，使用加热脉冲激光对所述样品表面进行加热，使所述样品表面温度周期性改变，并使用光斑中心位置可调的探测脉冲激光获得所述两个特征方向上不同位置点的升温降温曲线；步骤S3，根据不同位置点的升温降温曲线，建立非稳态导热方程组进行拟合或利用锁相原理进行数据处理，获得所述样品的热扩散率。 2.根据权利要求1所述的二维各向异性纳米材料的热扩散率测定方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：步骤S101，使用所述连续加热激光将所述样品表面加热至稳态；步骤S102，固定所述连续探测激光的光斑中心位置与所述连续加热激光的光斑中心位置的距离R保持不变，并以所述连续探测激光的光斑中心位置为圆心和所述距离R为半径构成圆，使用所述探测脉冲激光在圆周上各位置点进行拉曼信号探测，以获得所述圆周上各位置点的拉曼光谱；步骤S103，根据所述拉曼光谱中所述样品的特征峰偏移值，确定所述圆周各位置点的稳态温升；步骤S104，根据所述圆周上的稳态温升，得到温升最大和最小的两个位置点，将所述两个位置点分别与加热光斑中心相连，获得所述样品的两个特征方向。 3.根据权利要求2所述的二维各向异性纳米材料的热扩散率测定方法，其特征在于，所述获得所述样品的两个特征方向后，将以此做为坐标轴建立坐标系，其中，x轴方向为所述热扩散率最大的方向。 4.根据权利要求1所述的二维各向异性纳米材料的热扩散率测定方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：步骤S201，在第一脉冲时间th内，通过所述加热脉冲激光使所述样品表面温度从环境温度T1升至预设温度T2；步骤S202，在第一间隔时间tc内，关闭所述加热脉冲激光，使所述样品表面温度从所述预设温度T2降至所述环境温度T1；步骤S203，调整所述探测脉冲激光与所述加热脉冲激光的时间偏差td，以探测第二脉冲时间tp内所述样品的拉曼信号，获得所述样品的拉曼光谱；步骤S204，根据所述步骤S203中获得的所述拉曼光谱，确定所述样品在所述第二脉冲时间tp内的平均温度T3；步骤S205，调整所述时间偏差td至td'，重复所述步骤S203获得所述样品的拉曼光谱，重复所述步骤S204获得所述第二脉冲时间tp内，在所述第二时间偏差处td'的平均温度T3'；步骤S206，根据通过调整时间偏差对应的温度值，获得所述样品温度T3(td)随时间差变化的升温降温曲线；步骤S207，在所述坐标系的x轴和y轴上距离所述加热脉冲激光中心1μm内分别等距离取n个位置点，通过调整所述探测脉冲激光光斑的位置，按照所述步骤S201-S206分别获得所述n个不同位置点的升温降温曲线。 5.根据权利要求1所述的二维各向异性纳米材料的热扩散率测定方法，其特征在于，所述样品为二维各向异性纳米材料，所述二维各向异性纳米材料为悬架样品，悬架部分下表面没有基底。 6.根据权利要求4所述的二维各向异性纳米材料的热扩散率测定方法，其特征在于，在所述第一脉冲时间th内，所述二维各向异性纳米材料悬架部分满足半无限大假设，且未被加热至稳态。 7.根据权利要求1所述的二维各向异性纳米材料的热扩散率测定方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：步骤S301，建立升温阶段的非稳态导热方程组；步骤S302，建立降温阶段的非稳态导热方程组；步骤S303，利用所述锁相原理，得到所述不同位置点的升温降温曲线对应的相位方程；步骤S304，根据不同位置点的升温降温曲线，对所述步骤S301和所述步骤S302的非稳态导热方程组进行拟合，以获得所述样品的热扩散率；步骤S305，根据不同位置点的升温降温曲线，分别进行锁相处理，得到分别对应x轴和y轴的相位曲线，对所述相位方程进行拟合，以获得所述样品的热扩散率。 8.根据权利要求7所述的二维各向异性纳米材料的热扩散率测定方法，其特征在于，所述升温阶段的非稳态导热方程组为：其中，αx和αy分别对应所述样品两个特征方向的热扩散率(αx>αy)，η为所述样品的激光吸收率，ρcp为所述样品的比热，r0为悬架部分中心到边缘的距离，q为所述加热脉冲激光的激光功率，re为所述脉冲加热激光的光斑半径。 9.根据权利要求7所述的二维各向异性纳米材料的热扩散率测定方法，其特征在于，所述降温阶段的非稳态导热方程组为：其中，所述样品在时间偏差td处对应的探测脉冲时间tp时间内的平均温度T3(td)为(x'，y')为所述样品上任意位置，所述降温阶段的所述样品初始温度T2为rp为所述探测脉冲激光的光斑半径。 10.根据权利要求7所述的二维各向异性纳米材料的热扩散率测定方法，其特征在于，所述步骤S303进一步包括：将所述任意位置(x'，y')的升温降温曲线T3(x'，y',t)分别与cos(wt)和sin(wt)做乘法运算，得到所述升温降温曲线T3(x'，y',t)对应升温降温周期T的相位：其中，所述周期T为T＝(th+tc)，ω＝2π/(th+tc)表示所述脉冲加热激光的频率，n为所述样品温度变化的周期数。
所属类别：	发明专利