光聲表征多層納米薄膜熱物性的模型研究.pdf

1、回顧光聲效應(yīng)模型的發(fā)展歷史，可以發(fā)現(xiàn)以往的光聲模型基本都遵循同一條假設(shè)：光聲腔氣體壓力均勻一致，可用熱力學(xué)分析，因而這些光聲理論僅適用于低頻或中頻。而要光聲測量納米薄膜的熱物性，其所要求的光聲頻率較通常要高得多，必須進(jìn)入超聲范圍，這使得現(xiàn)有的光聲理論和技術(shù)不敷使用。有鑒于此，本論文(1)發(fā)展了可用于表征多層復(fù)合納米薄膜熱物性的三種模型——熱力完全耦合光聲模型、半耦合光聲模型與修正的解耦光聲模型，并給出了各自用矩陣形式表達(dá)的光聲分析解。它

2、們不僅考慮了多層復(fù)合材料各層的熱、力、光和幾何性質(zhì)，而且對頻率沒有限制。(2)利用建立的通用熱彈性光聲模型，對光聲效應(yīng)的特性進(jìn)行了研究，弄清了光聲信號是由熱波、聲波以及它們的反射波構(gòu)成，熱力耦合情況下，各波均有所變性；高頻下光聲信號不僅隨頻率上升空間波動性加劇，還會規(guī)律性地出現(xiàn)共振，故熱力學(xué)光聲模型已不適用。(3)給出了共振頻率分布的精確和近似計算表達(dá)式，通過分析不同模型下的共振頻率譜進(jìn)而得到了解耦模型與耦合模型高頻下偏差的修正系數(shù)，使

3、得解耦模型可在相當(dāng)程度上滿足高頻光聲效應(yīng)計算的需要。(4)通過分別比較完全耦合模型與半耦合模型即波動熱活塞模型、完全耦合模型與修正的解耦模型在低頻與高頻下的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)半耦合模型與修正的解耦模型不論是低頻還是高頻都是對完全耦合模型較好的近似；當(dāng)試樣的熱膨脹系數(shù)量級大于10<'-4>時，試樣膨脹對光聲效應(yīng)的影響隨頻率的上升而上升，當(dāng)熱膨脹系數(shù)量級小于10<'-4>時，其隨頻率的上升而下降，此時半耦合模型是很好的近似模型；熱力耦合效應(yīng)的影

4、響會隨著頻率的升高而不斷增強(qiáng)，因而需要注意修正的解耦模型在超高頻下的適用性。(5)對納米級非金屬薄膜(SiO<,2>)、金屬薄膜(Ni)以及微米級金剛石薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的光聲測量進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明：提高入射光的調(diào)制頻率至超聲區(qū)可大幅改善光聲測量納米薄膜和高導(dǎo)熱薄膜熱物性的精確度；高頻共振的放大作用可用于克服光聲信號隨頻率上升衰減的缺陷；光聲測量存在靈敏度最佳的頻率，要盡可能利用或接近這個頻率，圍繞其附近某個共振峰采集數(shù)據(jù)以提高信噪比；