TDTR 时域热反射测量系统

上海交通大学、清华大学和香港城市大学团队在《Science Advances》发表研究成果，提出以梯度界面分布打破平移对称性，协同调控热电多层膜中的声子与载流子输运。研究团队构筑总厚度300 nm的Bi₂Te₃/金属（Au、Ag、Pt）多层膜：梯度结构中的金属层按5、10和15 nm分布，并设置金属层厚度固定为10或5 nm的均匀结构作为对照，以考察“界面分布”对跨平面传热和面内载流子输运的影响。研究采用AUTINST（昊远精测）Pioneer-ONE TDTR系统，在室温下直接测量各类薄膜的跨平面热导率。系统使用1064 nm、80 MHz、80 fs脉冲激光，单脉冲能量25 nJ，调制频率1 MHz；样品表面沉积100 nm Al换能层，通过拟合热反射延迟信号提取跨平面热导率。为验证测量可靠性，团队先测试300 nm SiO₂标准样品，得到1.4 W/(m·K)，与室温文献值一致。Pioneer-ONE TDTR系统随后对不同金属和界面分布的样品进行同平台比较，为识别梯度结构带来的额外降热导效果提供了直接实验依据。结果显示，在Au、Ag和Pt三类体系中，梯度结构相较均匀结构均使跨平面热导率进一步降低30%～40%。其中，梯度Bi₂Te₃/Pt多层膜低至0.22 W/(m·K)，较均匀结构、高Bi₂Te₃占比多层膜和Bi₂Te₃薄膜分别降低约40%、64%和87%。研究表明，多层膜热输运调控不只取决于材料组合和界面数量，界面厚度的统计分布同样是关键设计变量。Pioneer-ONE TDTR系统以可比、可验证的跨平面热导率数据，量化了梯度界面相对均匀界面的优势，为热电薄膜、片上制冷及柔性能量收集材料的界面结构筛选提供了关键测量工具。

复旦大学、复旦大学宁波研究院、中国科学院宁波材料技术与工程研究所和北京科技大学团队在《Nature Communications》发表研究成果，通过构筑Ga₂O₃/SiO₂/SiC共价键界面，大幅改善超宽禁带Ga₂O₃器件的近结散热能力。研究采用AUTINST（昊远精测）Pioneer-ONE TDTR系统，对不同退火温度、时间和SiO₂厚度样品的界面热导率进行系统测量。测试以1064 nm光加热、532 nm光探测，通过拟合不同延迟时间下的热反射信号，获得Ga₂O₃薄膜热导率和Ga₂O₃/SiC异质界面热导。Pioneer-ONE TDTR系统在本研究中承担了核心验证任务：它直接量化从弱范德华接触到共价键连接后的界面热输运变化，并锁定SiO₂过渡层的佳厚度，而不是仅依靠原子结构观察推断散热改善。Pioneer-ONE TDTR系统测得未经处理样品的界面热导率仅为17.5 MW/(m²·K)。1173 K处理形成共价键后，界面热导率升至100.9 MW/(m²·K)；当SiO₂层厚度达到5.8 nm时，高达到162.1 MW/(m²·K)，约为初始范德华界面的9倍。继续增厚至约6 nm后，受缺陷和界面无序影响，界面热导率回落至148.4 MW/(m²·K)。Ga₂O₃薄膜热导率也由5.7提升至6.2 W/(m·K)。Pioneer-ONE TDTR系统不仅验证了约9倍的界面热导提升，还确定了5.8 nm附近的工艺优点，为Ga₂O₃、GaN及其他宽禁带半导体异质集成的界面设计和热处理优化提供了直接量化工具。

中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院大学、上海第二工业大学和香港中文大学团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》发表研究成果，揭示球形填料聚合物导热界面材料中隐藏的富聚合物边界层，是实际接触热阻居高不下的重要原因。研究采用AUTINST（昊远精测）Pioneer-ONE TDTR系统。设备使用1040 nm、100 MHz光纤耦合飞秒激光器，泵浦和探测光斑分别为40和20 μm，调制频率为1 MHz。样品采用熔融石英/100 nm Al/导热凝胶/Cu夹层结构。1 MHz条件下，热波在导热凝胶中的穿透深度约为1 μm，在硅橡胶中的穿透深度约为200 nm。因此，Pioneer-ONE TDTR系统能够优先感知紧邻界面的富聚合物薄层，并通过不同的参数灵敏度同时分离其局部热导率与接触热阻。这种浅层选择性正是发现“应用边界层”的关键。Pioneer-ONE TDTR系统测得近界面区域的局部热导率仅为0.17 W/(m·K)，接近纯硅橡胶；同时提取的Al/凝胶本征接触热阻约为2×10⁻⁸ m²·K/W，与分子动力学预测处于相近量级。Pioneer-ONE TDTR系统利用可控热穿透深度把近界面层与整体材料响应区分开，为分析非均匀复合材料、薄层导热胶和深埋接触界面提供了新的量化视角。

南京电子器件研究所（中国电科碳基电子重点实验室）、北京科技大学新材料技术研究院和中国科学院微电子研究所（高频高压器件及集成电路研发中心）在《人工晶体学报》发表研究成果，提出利用薄AlN介质层在GaN表面生长高质量纳米晶金刚石钝化膜，为GaN功率器件近结散热提供新方案。研究团队首先在GaN表面原子层沉积10 nm AlN介质层，再采用氧终端纳米金刚石静电播种和梯度甲烷MPCVD工艺，生长约120 nm纳米晶金刚石薄膜。研究采用AUTINST（昊远精测）Pioneer-ONE TDTR系统，同时测量超薄金刚石膜热导率和金刚石/AlN/GaN结构的有效界面热阻。系统以1064 nm飞秒激光为光源，由倍频模块产生532 nm泵浦脉冲加热样品，并使用1064 nm探测脉冲记录反射率变化，再通过多层传热模型提取未知热物性。针对Al/NCD/AlN/GaN/SiC多层结构，研究还采用独立Al/GaN/SiC样品标定GaN热导率，并开展灵敏度与不确定度分析。Al层厚度通过TEM测量并由Pioneer-ONE TDTR系统声学回波验证，终界面热导参数的总体不确定度约为2.8%。Pioneer-ONE TDTR系统测得约120 nm纳米晶金刚石膜的热导率为123.85 W/(m·K)，达到其他研究中更厚金刚石薄膜的相近水平；GaN与金刚石之间的有效界面热阻为(9.78±0.27) m²·K/GW。Pioneer-ONE TDTR系统在同一多层结构中分别解析薄膜热导率与有效界面热阻，为介质层厚度、金刚石生长工艺及GaN器件热设计提供了关键量化依据。

北京航空航天大学、中国科学院工程热物理研究所、华北电力大学和北京科技大学团队在《Materials Characterization》发表研究成果，揭示W界面层碳化过程中金刚石/铜界面结构与热导率的协同演变。W常被用于改善金刚石与Cu之间的润湿、结合和声学匹配。但在高温退火中，W会逐步与金刚石中的C反应形成WC。WC层从零散颗粒演变为连续层后，究竟何时有利于传热、何时又会成为额外热阻，需要在相同模型界面上进行直接追踪。Pioneer-ONE TDTR系统通过飞秒激光泵浦—探测获取纳秒尺度表面温度衰减，并结合传热模型拟合界面参数，测得未退火金刚石/W/Cu样品的界面热导率为67 MW/(m²·K)。随着碳化推进，界面热导逐步上升，在退火60 min时达到93.8 MW/(m²·K)，较未退火样品提高约40%。当退火延长至120 min，界面热导降至52.4 MW/(m²·K)，较峰值下降约44%。Pioneer-ONE TDTR系统把退火时间、界面结构和热导率变化直接关联起来，可为金刚石/金属复合材料的退火制度、界面反应层和热管理工艺提供量化评价。

北京科技大学、中国科学院电工研究所、中国科学院化学研究所、中国科学院工程热物理研究所和中国科学院大学团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表研究成果，利用自组装单分子层调控环氧树脂/硅界面热输运。研究采用AUTINST（昊远精测）Pioneer-ONE TDTR系统，对Al/环氧薄膜/分子层/Si多层样品进行界面热导测量。结果显示，未改性环氧/Si界面热导率约为43 MW/(m²·K)。能够在界面两侧形成共价键的分子层将其提高至47～62 MW/(m²·K)，其中SAM-NH₂高约为62 MW/(m²·K)，约为未改性界面的1.4倍。仅形成单侧共价连接的SAM-CH₃反而使界面热导率降至37 MW/(m²·K)。

近日，北京航空航天大学、中国科学院工程热物理研究所、上海交通大学和香港城市大学团队在《Applied Surface Science》发表研究成果，系统揭示W(WC)纳米界面层厚度与金刚石/铜界面热导率之间的关系。Pioneer-ONE TDTR系统测量发现，无界面层时界面热导率为57.5 MW/(m²·K)。随着界面层增厚，热导率并非持续下降或上升，而是呈现“先升后降”：W层厚度为20 nm时达到101.5 MW/(m²·K)，WC层厚度为15 nm时达到88 MW/(m²·K)。继续增厚至W 100 nm和WC 40 nm后，界面热导率分别降至66.25和53.5 MW/(m²·K)。结合显微结构表征及声学失配模型，研究认为：过薄界面层会增强边界散射；当厚度接近热载流子平均自由程时，跨界面传输有效；界面层过厚后，体热阻和缺陷散射重新占据主导。

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所、材料科学与光电技术学院和杭州高等研究院团队，在《Photonics Research》发表VO₂/SiO₂异质结构中红外热光开关研究成果。研究结合双波段透射测试、光谱反演、多物理场模拟与时域热反射测量，揭示了3.8 μm连续激发下VO₂从热积累、相变触发到冷却恢复的阶段性动力学。研究团队采用Autinst（昊远精测）Pioneer-ONE TDTR系统，结合多层传热模型，提取VO₂薄膜热导率和VO₂/SiO₂界面热导。

近日，北京大学、北京科技大学及长三角先进材料研究院等团队，在《ACS Applied Materials & Interfaces》发表6英寸4H-SiC/Si晶圆直接键合研究成果。研究人员通过表面活化键合与1000 ℃退火，同时提升了界面的机械强度和热输运能力。研究团队采用Autinst（昊远精测）Pioneer-ONE时域热反射系统，对退火前后SiC/Si界面热阻进行定量测量。测试结果显示，界面热阻由12.140 m²·K/MW降至5.079 m²·K/MW，降幅约58.2%。