Laser Thermal 的热导率测量方法：Hans Olson 谈薄膜、块体材料与传热挑战

Laser Thermal 起源于弗吉尼亚大学的热工程实验与模拟 (ExSiTE) 实验室。ExSiTE 实验室在 Patrick Hopkins 教授的带领下，专注于利用光学泵浦-探测热测量技术来测量从薄膜到块体材料等各种材料的热性能。但泵浦-探测热测量技术存在一些普遍问题，比如光学设置复杂、实施难度高和分析过程繁琐。在 ExSiTE 实验室工作期间，为了解决这些问题，Laser Thermal 的五位首席工程师发明了一种“全光纤”泵浦-探测实施方法和一种新型泵浦-探测测量技术——稳态热反射技术 (SSTR)。SSTR 不仅大大简化了光学设计，而且能够直接测量薄膜和块体材料的热导率和热阻。不仅如此，SSTR 还降低了成本，缩短了采集时间，在薄膜光学热测量领域取得了重大突破。

在这样的情况下，John Gaskins 和 Patrick Hopkins 共同创立了 Laser Thermal 公司。为了将 SSTR 在光纤中的应用商业化，公司推出了第一款商业产品 SSTR-F。SSTR-F 为工业客户和研究人员带来了准确便捷的热测量服务，无需深厚的专业知识也能轻松使用。这款产品已广泛应用于客户的研发和失效分析实验室，也使得 Laser Thermal 有能力提供专业的测试服务。除了这第一款产品外，Laser Thermal 还在不断创新，针对不同长度尺度开发便捷的测试解决方案，以满足客户多样化的新需求。

Laser Thermal 的旗舰产品是光纤稳态热反射仪 (SSTR-F)。SSTR-F 采用了光学泵浦-探测光谱技术，能够以微米级横向分辨率测定原子级薄界面、纳米到微米级厚度的薄膜以及块体材料的热性能。SSTR-F 独具的优势在于，无需知晓材料的热容就能直接测量热导率，而其他技术往往通过测量热扩散率或蓄热系数来间接获得热导率和热容的卷积结果。

在 SSTR-F 测量中，对于那些需要测量热性能的样本，会在其表面涂覆一层约 100 纳米厚的换能层，通常是铝或金。将一束调制的泵浦激光聚焦在换能层表面，产生周期性的升温，这一温度变化直接反映了换能层下方材料的热性能。同时，一束连续波 (cw) 探测激光与泵浦激光同轴聚焦在换能层表面，通过换能层的热反射率监测由泵浦加热事件引起的反射率变化，换能层的热反射率通常在约 10⁻⁵ - 10⁻⁴ K⁻¹ 量级。为了测量如此微小的反射率变化，我们引入了瑞士苏黎世仪器的 HF2LI 锁相放大器。

苏黎世仪器的 HF2LI 是真正发挥 SSTR-F 效能的关键组件，由此实现了 Laser Thermal 提供快速、准确的热性能测量的使命。瑞士苏黎世仪器提供性能卓越的仪器硬件，以超低噪声基底、高分辨率和高速而著称。我们几乎使用了仪器上所有可用的输入/输出端口，以便为客户提供更具可重复性、更准确的测量结果。由于其提供丰富的 API，通过软件与 HF2LI 进行集成也极其简单，这使我们能够进一步简化数据采集过程并缩短整体测量时间。HF2LI 的易用性使其成为与 SSTR-F 搭配使用的理想选择。

SSTR-F 能够快速且精准地测量原子级平坦界面、纳米到微米级厚度的薄膜以及块体材料的热性能，因此适用于包括半导体和航空航天在内的众多行业。在半导体领域，对于材料在原子长度尺度上的热性能一直缺乏深入的了解。在这些长度尺度上，材料的热性能与其相应的块体形态相比存在巨大差异，而且材料界面处的热阻会对多层材料系统的整体热阻产生显著影响。像 SSTR-F 这样的光学泵浦-探测光谱技术是目前唯一能够在这些长度尺度上进行非接触式、高通量测量并提供准确结果的技术。

我们的半导体行业客户使用 SSTR-F，根据厚度、工艺条件和材料系统几何形状来构建热性能数据库，以便在实际制造器件之前对其进行热模拟。为了满足半导体行业客户对测量通量的需求，我们借助 HF2LI 来快速准确地提供所需数据。

任何长度尺度下的热性能都与功能息息相关，所以只有了解这些性能，才能最终理解器件的性能。随着技术不断发展以及热密度的增加，对了解热性能的需求将持续存在。Laser Thermal 的使命是为那些希望优化其技术热性能的客户提供先进的解决方案。目前，仅有少数测量技术能够在从纳米级薄膜到块体材料等几乎任何长度尺度上快速测量热性能。此外，SSTR-F 使客户无需掌握热容信息即可测量热导率。在确定一种技术能够承受的合适热通量时，热导率是关键参数，而热导率通常无法与材料的热容分开测定。这些能力为建模和设计工作带来了新的思路，推动了客户的技术革新。

除了 SSTR-F 之外，Laser Thermal 还在积极开发多种产品，以满足热测量行业的需求。Laser Thermal 正在面向生物技术和半导体等行业，打造能够以纳米级横向分辨率测量热性能的技术。此外，一种更适合宏观尺度热导率测量的技术也在开发中，该技术适用于块体材料，且能够在超过 1000℃ 的高温下进行测量。Laser Thermal 致力于继续创新热测量解决方案，满足客户需求，并填补目前热测量领域的空白。

我们只用了短短几年的时间，便成为全球各大公司所信赖的热测量技术供应商。作为一家初创公司，至关重要的是全力确保产品满足市场需求和客户需求。为了符合客户的严格要求，我们必须对产品所依赖的每一个组件进行严格测试，保证其达到高标准。像 HF2LI 这样的设备在 SSTR-F 的开发过程中发挥了重要作用，最终缩短了我们产品的上市时间。在选择锁相放大器时，HF2LI 凭借出色的硬件性能、软件界面以及易用性，成为我们的不二之选。在使用过瑞士苏黎世仪器的多款产品后，我们建议与他们的专业技术人员积极沟通，这样可以加快产品集成速度，更深入地了解产品特性，以便尽快将这些产品应用到对精度、准确性和速度要求极高的场景中。