首页飞秒激光时域热反射测量系统及全维度传热测量平台
发布时间：2026-04-10
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来源：山东高等技术研究院
飞秒激光时域热反射测量系统（TDTR）作为一种超高时间（皮秒）和空间（纳米）分辨率的测量方法，是当今国际上进行微纳传热测量的最先进技术之一。
飞秒激光时域热反射测量系统
随着电子器件的小型化、高集成化和高功率化，热管理问题已成为影响器件运行效率、可靠性及寿命的关键因素之一。对于微纳电子器件，由于尺寸效应和量子效应，其热输运特性与宏观尺度显著不同，深入研究纳米尺度热输运特性和机理对于微纳电子器件热管理至关重要。
飞秒激光时域热反射测量系统（TDTR）作为一种超高时间（皮秒）和空间（纳米）分辨率的测量方法，是当今国际上进行微纳传热测量的最先进技术之一。TDTR技术基于高频飞秒激光作用下材料表面反射率对温度的依赖关系，通过测量被反射探测光的周期性变化，得到样品表面温度变化，从而准确获取材料的热物性及热载流子散热特性。TDTR的高精度测量为微纳尺度传热和超快热输运实验研究提供了强有力的工具，对深化传热机理的理解，推动纳米材料应用与开发，优化器件热管，探索新型热学特性，以及拓展能源转换技术具有重要的学术和应用价值。
郑卫东团队全自主搭建完成了山东省首台TDTR微纳传热测量系统。该系统可实现对块体材料、微纳材料及其结构的热导率、界面传热系数、比热容等相关热物性的准确测量。该系统可在 80 - 700 K（特殊条件下可达 4 - 700 K）温度范围内进行热物性单点测量及区域自动扫描，同时可实现电场、压力场的施加和控制，实现了世界领先的测量精度，是具有国际一流水平的测量平台。
以该系统为基础，团队以二维材料、热电材料等为研究对象，就声子热输运特性、电子-声子耦合机理等进行了一系列深入研究，包括具有纳米空位缺陷的石墨烯界面传热机理，六方氮化硼界面热输运机理以及基底对金属/石墨烯/非金属界面传热的影响特性等研究。这些研究对明晰二维材料界面热输运机理，实现电子器件的高效热管理具有重要意义。
全维度传热测量平台
传热测量是理解能量传递过程的基础，是检验热输运理论、修正经验模型、揭示微观机制最直接、最可靠的方式，具有普遍而深远的科学意义和技术价值。高研院郑卫东团队在时域热反射（TDTR）技术基础上，进一步拓展了瞬态和稳态传热测量技术，搭建了全维度传热测量平台，其中包括飞秒激光时域热反射（TDTR）测量系统、基于方脉冲的低温传热测量系统、低温稳态传热测量系统、薄膜面内热导率测量系统和超高压真空稳态测量系统，实现了三维各向异性热导率张量、界面热阻及局部对流换热系数等关键热物性参数的高精度测量。
低温稳态传热测量系统
低温稳态传热测量系统
该系统适用于液氦温区下非光滑界面与真实接触条件的热传导表征，可在低温环境下实现温度（>4 K）、压力（0-30 MPa）、材料厚度（>1 μm）等关键参数的精确测量与控制，可准确表征不同条件下的材料热导率和界面热阻等热物性参数，典型测量误差小于10%。
薄膜面内热导率测量系统
相较于光学或电学瞬态测量技术，该系统基于稳态热流测量原理，结构简洁、测量结果具有良好的物理可追溯性，且无需样品表面抛光或金属反射层沉积，在经济性、维护成本及适用材料范围等方面具有显著优势。系统典型测量误差低于 10%，整体成本低于同类光学系统的十分之一，结构紧凑、运行稳定，具备良好的推广应用前景与工程化发展潜力。 
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方脉冲低温传热测量系统
该系统调制频率最低可至 1 Hz 量级，热穿透深度超过 5 mm，可覆盖从纳米到毫米热穿透深度的热输运过程，特别适用于低温下固-液换热等界面传热问题，同时具备对电子器件散热特性进行实时状态监测的能力。凭借空间分辨高、调频范围广等优点，该系统采用幅值直接测量方式，无需相位校正，实验操作更加简便可靠。其可实现超宽范围热物性测量，可表征超低面内热导率、三维各向异性热导率张量、局部对流换热系数等热物性参数，并支持多热物性参数的同步测量，典型测量误差低于 10%。
全维度传热测量技术覆盖从宏观到微纳尺度、从 4 K 低温到高温，从固体到液体的全维度热输运表征，典型测量误差低于10%，并支持最高 600 kN 可控加载条件的传热测量，达到了国际先进水平。依托该技术优势，团队深度参与国际热核聚变反应堆（ITER）核心部件热测量工作，为聚变反应堆结构在极端服役条件下的热安全设计提供关键实验数据，服务国际大科学工程需求。基于全维度传热测量平台，还可系统开展极端条件下声子与电子热输运机理、多场耦合条件下的非经典热输运特性、低维材料界面热传导调控机制等研究。相关研究成果为量子信息器件热管理、高功率密度半导体结构优化以及先进热管理材料设计等提供可靠的实验依据。
实验团队
