Thermoréflectance dans le domaine temporel (TDTR)
Thermoréflectance dans le domaine temporel (TDTR)
Au cours de la dernière décennie, thermoréflectance dans le domaine temporel s’est imposée comme un outil puissant et polyvalent pour mesurer les propriétés de transport thermique des matériaux.
La TDTR est applicable à des matériaux présentant une large gamme de propriétés et de géométries d’échantillons.
La cartographie à haut débit de la conductivité thermique en fonction de la position est possible grâce à la focalisation des spots laser et à un rapport signal/bruit élevé.
Les applications de la cartographie de la conductivité thermique comprennent l’analyse des diagrammes de phase métallurgiques et la caractérisation des barrières thermiques et des revêtements pour les combustibles nucléaires.
Dispositif expérimental pour les mesures de diffusivité thermique TDTR, y compris la source laser de pompe et de sonde
La TDTR étant une méthode optique sans contact, elle peut être directement appliquée à des échantillons placés dans des cryostats optiques ou des microscopes à haute température, ainsi qu’à des échantillons exposés à d’autres conditions extrêmes telles que l’environnement à haute pression d’une cellule à enclume de diamant.
Cette approche nécessite le dépôt d’un transducteur à film métallique sur l’échantillon d’intérêt, le chauffage du transducteur par une impulsion optique de pompe et la mesure des changements de réflectivité du transducteur pour la thermométrie.
L’analyse des données est effectuée à l’aide de la solution analytique de l’équation de diffusion en coordonnées cylindriques. La détermination des propriétés de transport thermique par TDTR s’effectue généralement en ajustant les paramètres libres d’un modèle thermique, afin d’obtenir la meilleure adéquation entre la réponse thermique prédite et mesurée de l’échantillon.
Les paramètres libres sont les propriétés inconnues du transport thermique, par exemple la conductivité thermique d’un matériau mince. L’utilisation d’un objectif unique et l’intégration des faisceaux de la pompe et de la sonde dans un système d’imagerie optique ont rendu l’alignement et la focalisation des faisceaux de la pompe et de la sonde rapides et pratiques.
L’utilisation de la TDTR dans la pratique quotidienne exige que la surface de l’échantillon soit suffisamment lisse pour que toute modulation indésirable de la diffusion diffuse ne contribue pas de manière significative au signal souhaité produit par la thermoréflectance du transducteur à film métallique.
La TDTR est principalement sensible à la conductivité thermique dans le sens de l’épaisseur, c’est-à-dire au transport de chaleur dans la direction antiparallèle à la normale à la surface. Pour les matériaux thermiquement anisotropes tels que les super-réseaux, les films polycristallins texturés et les cristaux anisotropes, la connaissance de la conductivité thermique dans le plan est également souhaitable et peut être mesurée à l’aide d’une autre approche, par exemple un fil chaud suspendu.
La mise en œuvre la plus courante de la TDTR utilise un oscillateur laser ND:YAG ou Ti:saphir comme source de lumière. L’oscillateur laser produit une impulsion optique pour chauffer localement la couche de transduction et donc la couche d’échantillon sous-jacente. Le trajet de la sonde utilise un laser à ondes continues pour détecter l’augmentation locale de la température. En fonction du matériau utilisé pour la couche de transduction (par exemple Au, Al ou Pt), la longueur d’onde du laser de la sonde doit être sélectionnée (~473 nm à 532 nm ou 785 nm à 808 nm).
Le terme « thermoréflectance » fait référence au fait que la sonde mesure les changements de température de l’échantillon par la dépendance de la réflectivité optique R d’un transducteur à film métallique par rapport à la température, T ; dR/dT est le coefficient de thermoréflectance.
Données brutes de la mesure de la diffusivité thermique de deux films minces de SiO2 d’épaisseur variable, mesurée avec le Linseis TF-LFA
Quelles sont les propriétés déterminées ?
La TDTR est utilisée pour caractériser les propriétés de transport thermique des matériaux, principalement des couches minces et des revêtements, ainsi que pour l’étude des interfaces thermiques. Elle a été appliquée à toute la gamme de conductivité thermique, depuis le diamant et les métaux à haute conductivité thermique jusqu’à la conductivité thermique ultra-faible des dérivés de fullerènes. Pour l’essentiel, la même méthode peut être appliquée aux matériaux en vrac, aux couches minces et aux interfaces individuelles.
