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

  • 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

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

Литература

  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.
Опубликован
2023-10-28
Ключевые слова: голография, динамическая решетка, теплоперенос, температуропроводность, алмазоподобный углерод, теллурид свинца, термоэлектрик, акустическая волна
Как цитировать
Ивакин, Е. В., & Толстик, А. Л. (2023). Определение параметров теплопереноса в тонкой поглощающей пленке на подложке методом динамических решеток. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 4-9. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/5660
Выпуск
№ 3 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Оптика и спектроскопия

Copyright (c) 2023 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

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).