Termorreflexión en el dominio del tiempo (TDTR)
Thermoréflectance dans le domaine temporel (TDTR)
Durante la última década, Termorreflexión en el dominio del tiempo ha surgido como una potente herramienta de uso general para medir las propiedades de transporte térmico de los materiales.
La TDTR es aplicable a materiales con una amplia gama de propiedades y geometrías de muestra.
La focalización de los puntos láser y la elevada relación señal/ruido permiten obtener mapas de alto rendimiento de la conductividad térmica en función de la posición.
Las aplicaciones de la cartografía de conductividad térmica incluyen el análisis de diagramas de fases metalúrgicas y la caracterización de barreras térmicas y revestimientos para combustibles nucleares.
Montaje experimental para mediciones de difusividad térmica TDTR, incluyendo fuente láser de bomba y sonda
Como el TDTR es un método óptico, sin contacto, puede aplicarse directamente a muestras en criostatos ópticos o platinas de microscopio de alta temperatura; y a muestras expuestas a otras condiciones extremas, como el entorno de alta presión de una célula de yunque de diamante.
El enfoque requiere la deposición de un transductor de película metálica sobre la muestra de interés, para calentar el transductor mediante un pulso óptico de bombeo y medir los cambios en la reflectividad del transductor para la termometría.
El análisis de los datos se realiza utilizando la solución analítica de la ecuación de difusión en coordenadas cilíndricas. La determinación de las propiedades de transporte térmico mediante TDTR suele realizarse ajustando los parámetros libres de un modelo térmico, para obtener el mejor ajuste entre la respuesta térmica predicha y la medida de la muestra.
Los parámetros libres son las propiedades de transporte térmico desconocidas, por ejemplo, la conductividad térmica de un fino. El uso de una sola lente objetivo y la integración de los haces de la bomba y la sonda en un sistema óptico de formación de imágenes han hecho que la alineación y el enfoque de los haces de la bomba y la sonda sean rápidos y cómodos.
Para utilizar el TDTR en la práctica diaria, es necesario que la superficie de la muestra sea lo suficientemente lisa como para que cualquier modulación no deseada de la dispersión difusa no produzca una contribución significativa a la señal deseada producida por la termorreflexión del transductor de película metálica.
La TDTR es sensible sobre todo a la conductividad térmica en la dirección a través del espesor, es decir, al transporte de calor en la dirección antiparalela a la normal de la superficie. En los materiales térmicamente anisótropos, como las superredes, las películas policristalinas texturizadas y los cristales anisótropos, también se desea conocer la conductividad térmica en el plano y puede medirse mediante otro método, por ejemplo, un método de hilo caliente suspendido.
La aplicación más habitual del TDTR utiliza un oscilador láser de ND:YAG o Ti:zafiro como fuente de luz. El oscilador láser produce un pulso óptico para calentar localmente la capa transductora y, por tanto, la capa subyacente de la muestra. La trayectoria de la sonda utiliza un láser de onda continua (CW) para detectar el aumento local de temperatura. Según el material utilizado de la capa transductora (por ejemplo, Au, Al o Pt), hay que seleccionar la longitud de onda del láser de la sonda (~473 nm a 532 nm o 785 nm a 808 nm).
El término «termorreflexión» se refiere al hecho de que la sonda mide los cambios de temperatura de la muestra mediante la dependencia de la reflectividad óptica R de un transductor de película metálica con la temperatura, T; dR/dT es el coeficiente de termorreflexión.
Datos brutos de la medición de la difusividad térmica de dos láminas delgadas de SiO2 de espesor variable, medida con el Linseis TF-LFA
¿Qué propiedades se determinan?
La TDTR se utiliza para caracterizar las propiedades de transporte térmico de los materiales, principalmente películas finas y revestimientos, así como para la investigación de las interfaces térmicas. Se ha aplicado en toda la gama de conductividad térmica, desde el diamante y los metales de alta conductividad térmica hasta la conductividad térmica ultrabaja de los derivados del fullereno. Esencialmente, el mismo método puede aplicarse a materiales a granel, capas finas e interfaces individuales.
