基于热反射的微纳尺度热物性测量技术：原理、方法与前沿进展

论文信息：

Puqing Jiang, Shanshan Chen, Xiaobo Li, Ronggui Yang, Thermoreflectance-Based Techniques for Micro- and Nanoscale Thermophysical Property Measurements: Principles, Methods, and Recent Advances, arXiv:2609.27618.

论文链接：

https://doi.org/10.48550/arXiv.2609.27618

Part.1

研究背景

随着功能材料与高性能电子器件的快速发展，微纳尺度热输运行为的准确表征已成为揭示材料热输运机制、优化器件热管理及评估服役可靠性的重要基础。当材料或器件的特征尺寸与声子平均自由程相当时，边界散射、界面热阻及各向异性热扩散等效应更加突出,传统宏观测量方法与均匀介质假设面临局限，从而对微纳尺度热物性参数的准确测量提出了更高要求。现有热物性表征方法在微纳尺度应用中仍存在不同程度的局限。瞬态平面热源法（TPS）在块体材料测量中具有较高的可靠性，但其热穿透深度与传感器尺寸相互耦合，空间分辨率通常处于毫米量级，难以满足微米乃至亚微米尺度薄膜、界面和局部热点的表征需求。在此背景下，基于光热激励与光学探测的热反射测量技术（TR）逐渐发展成为微纳尺度热物性表征的重要手段。经过数十年的发展与技术迭代，热反射测量已形成多种各具特点的技术路 线（图 1），主要包括瞬态热反射（TTR）、时域热反射（TDTR）、频域热反射（FDTR）、稳态热反射（SSTR）、空间域热反射（SDTR）及方脉冲热源法（SPS）。尽管热反射技术已广泛应用于微纳尺度热物性 的定量测量,现有综述与研究大多聚焦于单一技术路线或特定材料体系，仍缺乏对不同方法内在物理关联、性能边界及适用场景的系统比较。

图 1 热反射测量技术的发展脉络及主流技术分支。

Part.2

研究内容

本文从热反射效应与热扩散基本方程出发，系统梳理TTR、TDTR、FDTR、SSTR、SDTR及SPS等典型热反射方法的物理原理、实验构型和参数敏感特性，并在统一的热扩散分析框架下明晰不同技术路线之间的内在联系与核心差异。在热反射实验中，更具实际意义的是比较热穿透深度dp与待测薄膜厚度h以及泵浦光斑直径2r0的相对大小。当dp≪h时，热扰动主要局限于待测层近表面区域；当dp~h时，热扰动能够传播至薄膜/衬底界面，界面热导及下层材料热输运特性开始对信号产生明显影响；当dp≫h时，热扰动进一步深入衬底。同时，当dp≪2r0时，热量主要沿样品厚度方向扩散，体系可近似表现为一维传热；随着dp逐步趋近乃至超过2r0，径向热扩散所占比例持续增加，测量信号对面内热导率的敏感性也随之增强（图2）。

图 2 热穿透深度与光斑尺寸对热扩散路径的影响。

本文在热反射效应、热扩散方程及参数敏感性分析的基础上，讨论了 TTR、TDTR、FDTR、SSTR、SDTR 和 SPS 等典型热反射测量方法的分类依据及技术演进。图3按照技术发展时序概括了几类主流热反射方法的实验构型。本文进一步比较各类技术在有效热扩散尺度、参数敏感性、多参数反演能力及适用范围方面的差异，并结合图4分析其测量能力边界与典型适用场景。总体而言，SPS通过宽频方波调制和全周期温度波形采集，在频率调控热扩散尺度的基础上进一步引入周期内时序信息，为复杂材料体系的多参数热物性反演提供了更多独立约束。与TDTR相比，SPS更侧重较宽时间尺度下的周期热响应，而TDTR在皮秒至纳秒尺度超快热过程及纳米薄膜界面输运表征方面仍具有明显优势,两者在适用时间尺度和参数敏感 性方面具有互补性（图3）。空间域热反射（SDTR）及相关空间扫描方法通过引入横向位置这一独立观测变量，将热反射测量由时间和频率维度进一步拓展至空间维度，为面内热导率及热输运各向异性的辨识提供了重要手段。此外，本文还进行参数敏感性与可辨识性分析，讨论了面内与面外热输运的辨识能力。本文还进行材料体系与应用场景匹配。图4以单晶硅作为典型参照材料，直观展示各类热反射表征技术可实现的等效热扩散长度范围，主要用于是明晰不同热反射技术在特征热扩散长度上的衔接与覆盖关系。

图 3 不同热反射测量技术的实验系统示意图。

图 4 不同热反射方法在单晶硅中的等效热扩散长度范围。

在本文所示低热导材料案例中，SPS提供了一种利用较宽频率范围和完整周期波形建立互补约束的实现路径。图5展示了Chen等人采用SPS方法对PMMA开展热导率与体积热容协同表征的实验结果。由低频测量条件和高频测量条件两组独立工况可算出总体不确定度约7%，与文献报道值吻合良好。图6展示了Zhang等人采用SPS方法对悬空PI薄膜和旋涂PI薄膜进行热物性测量的结果。结果说明，不同薄膜制备工艺会显著改变PI薄膜的链取向和厚度方向堆积结构，从而影响面内和面外热传导能力。

图 5 基于SPS的PMMA 面内热扩散率与面外热逸散率联合反演。

图 6 基于SPS的悬空PI薄膜面内/面外热导率与体积热容同步反演。

图7展示了Chen等人应用BO-SPS方法测量AT切石英热导率张量的实验思路。当探测光斑沿x轴正负偏移时，信号对kxx呈对称响应,对kxz呈反对称响应（图7c-d）。这种奇偶性差异直接源于倾斜晶轴引入的热流耦合不对称性。联合x方向正负偏移（图7c-d）、零偏移（图7a）及y方向偏移测量（图7b），即可分别锁定kxx与kxz、kyy，而零偏移下的高频测量则约束面外热输运分量kzz（图7e）。图8展示了Chen等人在SPS平台上采用组合参数分析研究GaN/Si多层异质结构的结果。在该 SPS 案例中，不同调制频率使各组合参数 的相对敏感性发生明显变化。在5MHz高频条件下（图8b1-b3），热响应主要集中于Al传感层和GaN近表面区域；750kHz时（图8c1-c3），热扩散范围进一步进入GaN与AlGaN缓冲层；150kHz低频时（图8d1-d3），衬底相关参数的影响权重增加。

图 7 本文引入的模型与中模型的比较：(a) 归一化振幅；(b) 归一化相位；与偏移距离的关系。

图 8 基于SPS的GaN/Si多层异质结构组合参数分析与热物性反演。

本文指出热反射测量技术目前面临反演不适定、模型边界约束、多物理场信号分离、分析流程复杂等挑战。未来一方面要推进概率化不确定度评估与自适应实验设计，区分参数误差与模型系统偏差。另一方面需协调仪器分辨率、热输运物理规律与模型保真度，兼顾高频传感层效应、非扩散声子输运、低频噪声、近场电磁耦合以及器件复杂几何带来的各类限制，同时发展器件原位多物理场表征手段，提升晶圆级高通量工程检测能力。此外可构建自然语言交互的分层智能分析架构，由 AI 完成任务编排，物理模型承担定量计算，并保留人工确认与结果溯源机制，以此推动热反射技术实现可信、可追溯的自适应热物性测量。

Part.3

研究总结

本文系统梳理了TTR、TDTR、FDTR、SSTR、SDTR、SPS等主流热反射测量技术的物理基础、实验构型与信号采集策略，各类技术依托相同的光热激励-热扩散-热反射探测物理体系，区别主要在于观测维度，彼此属于互补而非替代关系。实际选用方法需要综合样品几何结构、目标热物性、先验已知参数与仪器带宽，TDTR、FDTR 适合薄膜面外热导率与界面热导表征，SDTR 及光斑偏移类技术适配面内热各向异性研究，低热导、强参数耦合体系可选用低频FDTR、多工况TDTR、SPS等多测量条件联合方案，同时热反射测量结果的可信度有赖于合理的热扩散模型、准确结构输入、敏感性分析与不确定度评估，不存在普适最优的反演方案。本文展望了热反射测量在超高时空分辨、多物理场耦合、工业在线检测及智能化数据处理与自然语言驱动分析等方向的发展趋势，以期为微纳尺度热输运研究和先进器件热管理提供参考。

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