Zaman etki alanı termoreflektansı (TDTR)

TDTR optik, temassız bir yöntem olduğundan, numuneleri optik portlu kriyostatlarda, yüksek sıcaklık mikroskoplarında veya yüksek basınçlı bir ortamda ölçmek de mümkündür.

Bu ölçüm tekniğinin bir özelliği, analiz edilecek numunenin yüzeyinde bir metal filmin biriktirilmesi gerektiğidir. Bu metal film optik bir dönüştürücü görevi görür, çünkü bu metal tabakanın yansıtıcılığındaki değişiklik, sıcaklıktaki değişikliği çıkarmak için kullanılabilir. Ölçüm için, numunenin yüzeyindeki bir noktayı lokal olarak ısıtmak için güçlü bir birincil lazer (pompa lazeri) kullanılır ve metal filmin yansıtıcılığındaki değişiklikler nedeniyle bu noktanın ısınması ikinci bir lazer (prob lazeri) kullanılarak okunur.

Veri analizi daha sonra silindirik koordinatlarda ısı iletim denkleminin analitik bir çözümü kullanılarak gerçekleştirilir. İlgili katmanların ısı taşıma özelliklerinin belirlenmesi tipik olarak serbest parametrelerin uydurulmasıyla, model tarafından tahmin edilen termal tepki ile deneyde ölçülen numunenin termal tepkisi arasındaki sapmanın en aza indirilmesiyle gerçekleştirilir. Serbest parametreler, örneğin termal iletkenlik gibi numunenin bilinmeyen ısı transfer özellikleridir.

TDTR’yi günlük uygulamada kullanırken, lazer ışığının istenmeyen dağınık saçılımını ve dolayısıyla ölçüm için paraziti önlemek için numune yüzeyinin mümkün olduğunca pürüzsüz olması gerekir.

TDTR çoğunlukla kalınlık yönünde, yani yüzeye dik termal iletkenliği ölçmek için kullanılır. Süper kafes yapılar, dokulu polikristal filmler veya anizotropik kristaller gibi termal olarak anizotropik malzemeler için, düzlemdeki termal iletkenlik bilgisinin de ölçülmesi gereken yerlerde, düzlemdeki ısı taşınımı, yanlış hizalama yaklaşımları kullanılarak da ölçülebilir. Ancak ölçüm doğruluğu azalır.

ND:YAG veya Ti:safir lazerler genellikle TDTR kurulumları için “pompa lazerleri” olarak kullanılır. Lazer, metal katmanı (dönüştürücü olarak da bilinir) ve dolayısıyla alttaki numune katmanını yerel olarak ısıtmak için optik bir darbe üretir. Sıcaklık sinyalini okumak için, yerel sıcaklık artışını kaydetmek üzere prob lazeri olarak bir sürekli dalga lazeri (CW lazer) kullanılır. Dönüştürücü için kullanılan malzemeye bağlı olarak (örneğin Au, Al veya Pt), prob lazerin dalga boyu seçilmelidir (~473 nm ila 532 nm veya 785 nm ila 808 nm).

“Termoreflektivite” terimi, bir metal filmin yansıtma özelliğinin “R” sıcaklığına “T” bağlı olduğu gerçeğini ifade eder. Bu da malzemeye özgü termoreflektans katsayısı G = dR/dT ile sonuçlanır. Bu katsayı ne kadar büyük olursa, dönüştürücü katman o kadar hassas olur ve o kadar doğru ölçülebilir.