時間領域熱反射率(TDTR)
時間領域熱反射率(TDTR)
過去10年間 時間領域サーモリフレクタンスは、材料の熱輸送特性を測定するための強力な汎用ツールとして登場しました。TDTRは、広範な特性と試料形状を持つ材料に適用できます。位置の関数としての熱伝導率の高スループットマッピングは、レーザースポットの集光と高S/N比によって可能になります。
熱伝導率マッピングの応用例としては、冶金学的な相図の解析、核燃料の熱障壁やコーティングの特性評価などがある。
ポンプおよびプローブレーザー光源を含むTDTR熱拡散率測定のための実験セットアップ
TDTRは光学的非接触法であるため、光学クライオスタットや高温顕微鏡ステージ内の試料や、ダイヤモンドアンビルセルの高圧環境などの過酷な条件にさらされた試料に直接適用することができる。
このアプローチでは、対象となるサンプル上に金属膜トランスデューサを蒸着し、ポンプ光パルスによってトランスデューサを加熱し、熱測定のためにトランスデューサの反射率の変化を測定する必要がある。
データ解析は、円筒座標系における拡散方程式の解析解を用いて行われます。 TDTRによる熱輸送特性の測定は、通常、熱モデルの自由パラメータを調整することによって行われます。
自由パラメータは未知の熱輸送特性であり、例えば薄板の熱伝導率などである。 単一の対物レンズを使用し、ポンプビームとプローブビームを光学イメージングシステムに統合することで、ポンプビームとプローブビームのアライメントとフォーカシングが迅速かつ容易になりました。
TDTRを日常的に使用するには、拡散散乱の望ましくない変調が、金属膜トランスデューサの熱反射率によって生成される所望の信号に対して大きな寄与を生じないように、試料の表面が十分に滑らかであることが必要である。
TDTRは、厚さ方向の熱伝導率、すなわち表面法線に反平行な方向の熱伝導率にほとんど敏感です。 超格子、テクスチャー多結晶膜、異方性結晶などの熱異方性材料では、面内熱伝導率の知識も必要であり、別のアプローチ、例えば吊り下げ式ホットワイヤーアプローチを使用して測定することができます。
TDTRの最も一般的な実装では、ND:YAGまたはチタンサファイアレーザー発振器を光源として使用する。 レーザー発振器は光パルスを発生させ、透過層を局所的に加熱し、その結果、下層の試料層を加熱する。 プローブ経路では、連続波（CW）レーザーを使用して局所的な温度上昇を検出する。 導入層の材料（Au、Al、Ptなど）に応じて、プローブ・レーザーの波長を選択する必要がある（～473 nm～532 nmまたは785 nm～808 nm）。
サーモリフレクタンス」という用語は、金属膜トランスデューサの光反射率Rの温度T依存性によって、プローブが試料の温度変化を測定するという事実を指す。
Linseis TF-LFAで測定した、厚さの異なる2つのSiO2薄膜の熱拡散率測定の生データ。
どのような特性が決定されるのか？
TDTRは、主に薄膜やコーティングなどの材料の熱伝導特性の評価や、熱界面の調査に用いられます。 ダイヤモンドや高熱伝導性金属からフラーレン誘導体の超低熱伝導性まで、熱伝導率の全範囲にわたって適用されています。 基本的に同じ方法をバルク材料、薄膜、個々の界面に適用することができる。