Определение параметров теплопереноса в тонкой поглощающей пленке на подложке методом динамических решеток

Авторы

  • Евгений Васильевич Ивакин Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Алексей Леонидович Толстик Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Ключевые слова:

голография, динамическая решетка, теплоперенос, температуропроводность, алмазоподобный углерод, теллурид свинца, термоэлектрик, акустическая волна

Аннотация

Продемонстрированы преимущества использования метода динамических решеток для бесконтактного изучения тонкопленочных материалов. Рассмотрены тонкие (микронные) пленки алмазоподобного углерода и термоэлектрические материалы на основе теллурида свинца. Установлено, что при поверхностном поглощении лазерного импульсного излучения наносекундной длительности в тонкопленочном материале формируется динамическая решетка, время релаксации которой позволяет определить параметры теплопереноса и рассчитать коэффициенты температуропроводности. Увеличение периода динамической решетки сопровождается переходом от измерения температуропроводности тонкой пленки к установлению эффективного значения температуропроводности, в которую начинает вносить вклад подложка, и при большом периоде решетки можно определять температуропроводность самой подложки. Особый интерес вызывает эффект возбуждения акустической волны в приповерхностном слое воздуха, который ранее рассматривался как фактор, искажающий динамику дифрагированного сигнала. Показано, что в этом случае появляется возможность измерить температуру пленки при ее нагреве лазерным импульсом.

Биографии авторов

  • Евгений Васильевич Ивакин, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    доктор физико-математических наук; главный научный сотрудник кафедры лазерной физики и спектроскопии физического факультета

  • Алексей Леонидович Толстик, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    доктор физико-математических наук, профессор; заведующий кафедрой лазерной физики и спектроскопии физического факультета

Библиографические ссылки

  1. Jackson WB, Amer NM, Boccara AC, Fournier D. Photothermal deflection spectroscopy and detection. Applied Optics. 1981;20(8):1333–1344. DOI: 10.1364/AO.20.001333.
  2. Rosencwaig A, Opsal J, Smith WL, Willenborg DL. Detection of thermal waves through optical reflectance. Applied Physics Letters. 1985;46(11):1013–1015. DOI: 10.1063/1.95794.
  3. Miklos A, Lorincz A. Determination of thermal transport properties of thin metal films from pulsed thermoreflectance measurements in the picosecond regime. Applied Physics B. 1989;48(3):261–267. DOI: 10.1007/BF00694357.
  4. Magunov AN. Lazernaya termometriya tverdykh tel [Laser thermometry of solids]. Moscow: Fizmatlit; 2002. 222 p. Russian.
  5. Tolstik AL, Dadenkov IG, Stankevich AA. Spatial modulation spectroscopy of semiconductors using dynamic gratings. Journal of Optical Technology. 2022;89(5):250–254. DOI: 10.1364/JOT.89.000250.
  6. Tolstik AL, Ivakin EV, Dadenkov IG. Light beam transformation and material diagnostics by dynamic holography method. Zhurnal prikladnoii spektroskopii. 2023;90(2):316–323. DOI: 10.47612/0514-7506-2023-90-2-316-323. Russian.
  7. Ivakin EV. Laser diffraction relaxmeter for studying photoexcitation kinetics in condensed media. Journal of Optical Technology. 2000;67(11):951–954. DOI: 10.1364/JOT.67.000951.
  8. Ivakin EV, Kisialiou IG, Antipov OL. Laser ceramics Tm : Lu2O3. Thermal, thermo-optical, and spectroscopic properties. Optical Materials. 2013;35(3):499–503. DOI: 10.1016/j.optmat.2012.10.002.
  9. Ivakin EV, Tolstik AL, Gorbach DV, Stankevich AA. Investigation of heat transfer of bulk and thin-film PbInTe samples by the method of dynamic gratings. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2022;95(4):1026–1030. DOI: 10.1007/s10891-022-02568-x.
  10. Kading OW, Skurk H, Matthias E. Thermal diffusivities of thin films measured by transient thermal gratings. Journal de Physique IV. 1994;4:619–622. DOI: 10.1051/jp4:19947146.
  11. Rogers JA, Yang Y, Nelson KA. Elastic modulus and in-plane thermal diffusivity measurements in thin polyimide films using symmetry-selective real-time impulsive stimulated thermal scattering. Applied Physics A. 1994;58(5):532–534. DOI: 10.1007/BF00332448.
  12. Kading OW, Skurk H, Mazhev AA, Matthias E. Transient thermal gratings at surfaces for thermal characterization of bulk materials and thin films. Applied Physics A. 1995;61(3):253–261. DOI: 10.1007/BF01538190.
  13. Shamsa M, Liu WL, Balandin AA, Casiraghi C, Milne WI, Ferrari AC. Thermal conductivity of diamond-like carbon films. Applied Physics Letters. 2006;89(16):161921. DOI: 10.1063/1.2362601.
  14. Yun SI, Oh K-D, Ryu K-S, Kim C-G, Park HL, Seo HJ, et al. Photothermal probe beam deflection measurement of thermal diffusivity of atmospheric air. Applied Physics B. 1986;40(2):95–98. DOI: 10.1007/BF00694781.
  15. Parashchuk T, Dashevsky Z, Wojciechowski K. Feasibility of a high stable PbTe : In semiconductor for thermoelectric energy applications. Journal of Applied Physics. 2019;125(24):245103. DOI: 10.1063/1.5106422.
  16. Vargaftik NB. Spravochnik po teplofizicheskim svoistvam gazov i zhidkostei [Handbook on thermophysical properties of gases and liquids]. Moscow: Gosudarstvennoe izdatel’stvo fiziko-matematicheskoi literatury; 1963. 707 p. Russian.
  17. Collier RJ, Burckhardt CB, Lin LH. Optical holography. New York: Academic Press; 1971. 605 p.

Загрузки

Дополнительные файлы

Опубликован

2023-10-28

Выпуск

№ 3 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Раздел

Оптика и спектроскопия

Лицензия

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).

Как цитировать

(1)
Ивакин, Е. В.; Толстик, А. Л. Определение параметров теплопереноса в тонкой поглощающей пленке на подложке методом динамических решеток. Журнал Белорусского государственного университета. Физика 2023, вып. 3, 4-9.