空间域热反射SDTR基于的光学交流量热法
进入微尺度以后材料的热物性与宏观尺度相比发生了很大的变化，分析和测量微尺度下材料的热物性参数对微尺度传热理论分析和研究微器件的热传导能力及散热速度具有重要的意义。交流量热法是测量薄膜热扩散率的有效方法之一，适合测量半导体、金属、非金属等多种薄膜材料。
图1：交流量热法的测量原理图[1]
交流量热法的测量原理如图1所示。当一定频率和一定脉冲宽度的激光加热样品时样品表面上会呈现出同频的交变温度波。在一定距离上该温度波的衰减和相位滞后与样品的热物性有关。根据已知一定距离上不同两点间的温度波可以通过温度波的幅度衰减或相移计算出样品的热扩散率。当样品厚度远远小于热扩散长度时垂直样品方向上没有温度梯度可看成一维传热。
根据交流量热法的公式(1)可得出样品的温度变化与距激光加热点间的距离x的关系，其中
，式中a是样品水平方向上的热扩散率，x是激光加热点到传感器的距离，c是样品体积比热容，f是激光频率，h是样品厚度，Q是吸收的热流，p是样品密度。由(1)式可以得到样品热扩散率与温度变化的关系。依据式中幅度的变化称为幅度法；依据相位的变化称为相位法。由于幅度法测量薄膜的热扩散率依赖薄膜吸收的热量会产生较大的实验误差所以可采用相位法。
相位法测量样品热扩散率是根据热源与传感器之间的相位差和距离之间的关系，并进行差值化处理：
，其中
为激光热源与探测器之间的距离，令
，即可通过计算相位
相对
的斜率m，因其中
，所以可写出：
通过(2)式子可知，在给定热源的加热频率即激光频率f下，通过测量薄膜样品上的不同空间位置处的同频热场波动相位即可计算得出样品的横向热扩散率a。
但对于尺寸微米级的薄膜样品，由于受样品尺寸要求的限制而不能用传统的热探测器或热源测量，因此热探测和热源都通过微米尺寸的激光光斑实现，采用一束调制的连续波激光对样品进行周期性加热，另一束连续波激光基于热反射原理对样品表面距离加热激光不同位置处的温度响应(如热波的相位
)进行探测；实验中通过锁相放大器采集频率f下的热反射率信号而实现热探测的目的。
SDTR测量法即可测量薄膜也可测量块体材料，也可测量径向尺寸数十微米以上的小尺寸样品，与TDTR所需要的脉冲激光器相比SDTR采用的是连续激光测量，且内部系统较TDTR更稳定，极大降低了硬件及维护成本，且SDTR可极为方便地测量样品面内的各向异性热导率或热扩散率，但SDTR需要选择合适的激光波长和金属温度传感层，以保证获得较高的热反射系数和测量准确性[2]。
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相关文献：
[1] 陈海军,马灵芝,唐祯安.交流量热法测量SiO2薄膜的热扩散率[J].功能材料, 2002, 33(5):3.DOI:CNKI:SUN:GNCL.0.2002-05-029.
[2] Jiang P , Wang D , Xiang Z ,et al.International Journal of Heat and Mass Transfer, 2022, 191:122849-.DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.122849.
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