薄層材料熱性能和缺陷的激光誘導紅外輻射檢測技術(shù)研究.pdf

1、現(xiàn)代新興工業(yè)與科研中大量使用薄層材料，其熱物理性質(zhì)與塊體材料存在差異。而目前薄層材料熱性能參數(shù)的測量值難以在文獻中查找得到，需通過實際測量得到。但現(xiàn)有的薄層材料熱性能測量方法對樣品和設備的要求較高，只能在實驗室內(nèi)使用。因此，發(fā)展無接觸的、方便快捷的、成本低的薄層材料熱性能測量技術(shù)就有著迫切的需求。薄層材料熱物理性質(zhì)與材料微觀結(jié)構(gòu)之間關系的研究也已成為研究熱點。激光誘導紅外輻射檢測技術(shù)（LIIR，又稱光熱輻射測量技術(shù)）是一種基于光聲光熱效

2、應的新型無損檢測技術(shù)，因其具有非接觸、高靈敏度等特點，在熱性能檢測領域的應用研究日趨活躍。本文重點開展了透射式LIIR的簡化與改進，及其在金屬薄層材料熱性能參數(shù)檢測和非晶硅薄膜太陽能電池缺陷檢測方面的應用。
　　1、熱擴散率的LIIR檢測機理
　　熱擴散率決定了熱量在材料中的傳導過程，從而決定了材料中溫度的分布，進而影響熱載流子非輻射復合發(fā)出的中遠紅外輻射。測量材料透射面的中遠紅外輻射，可得到LIIR信號相位與頻率的關系曲線

3、。建立三維理論模型，推導材料吸收強度調(diào)制激光之后的溫升分布和紅外輻射信號表達式。通過材料溫升分布及其表面紅外輻射的數(shù)值計算，分析LIIR信號與激光參數(shù)、材料參數(shù)等的依賴關系。通過歸一化和實驗測量等手段減少影響LIIR信號的未知參數(shù)，再通過實驗測量的LIIR信號相位-頻率曲線與理論計算曲線擬合，就可以精確地確定材料的熱擴散率。
　　2、缺陷的LIIR檢測機理
　　內(nèi)部缺陷會影響材料中的熱傳導過程，而表面和亞表面缺陷則影響材料的

4、吸收特性和發(fā)射特性，均會影響材料表面的LIIR信號，通過探測其分布即可實現(xiàn)缺陷的檢測和分析。而半導體材料LIIR信號還可能包括光生載流子輻射復合產(chǎn)生的近紅外輻射。因此，探測中遠紅外熱輻射和近紅外輻射的分布，可更全面地分析半導體材料的缺陷。
　　3、LIIR系統(tǒng)的簡化和改進
　　在傳統(tǒng)透射式LIIR系統(tǒng)基礎上進行簡化，方便調(diào)試和使用，另一方面還可減小因材料受熱后周期性膨脹對測量帶來的影響，相應地可以簡化理論模型并減少計算量。對

5、簡化LIIR系統(tǒng)安裝二維電動掃描平臺和自動控制與測量系統(tǒng)，即可探測材料的紅外輻射分布。變隙 HgCdZnTe紅外探測器的可探測波段寬，只需更換濾光片，LIIR系統(tǒng)即可同時檢測近紅外輻射和中遠紅外輻射。用電腦內(nèi)置聲卡替代鎖相放大器進行連續(xù)探測，可實現(xiàn)快速掃描LIIR檢測系統(tǒng)。通過電磁隔離和系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化等手段提高系統(tǒng)信噪比，可保證測量的精確性。
　　4、金屬薄層材料熱擴散率的LIIR檢測
　　用簡化LIIR系統(tǒng)和光聲壓電（PA

6、PE）系統(tǒng)測量不同厚度銅和鋁的熱擴散率，兩系統(tǒng)的測量值可相互對比和驗證，并用相關理論對測量值進行評價和誤差分析，進一步可研究材料微結(jié)構(gòu)對熱性能的影響。
　　5、非晶硅薄膜太陽能電池缺陷的LIIR檢測
　　用簡化掃描LIIR系統(tǒng)掃描非晶硅薄膜太陽能電池，得到其熱載流子非輻射復合產(chǎn)生的中遠紅外輻射分布，分析了各類缺陷的特征，以及調(diào)制頻率對分辨率的影響；更換濾光片，掃描得到了該電池的光生載流子輻射復合產(chǎn)生的近紅外輻射分布，進一步可

7、研究這兩種輻射機制對半導體中缺陷檢測的互補性。用快速掃描LIIR系統(tǒng)對非晶硅薄膜太陽能電池掃描，可實現(xiàn)缺陷的快速檢測。對快速掃描時得到的紅外輻射信號進行頻譜分析，可研究缺陷的LIIR信號特征。
　　本文建立了簡化LIIR的三維模型，推導了相應紅外輻射的理論表達式，開展了金屬薄層材料熱擴散率的檢測實驗，拓展了LIIR檢測技術(shù)在非晶硅薄膜太陽能電池缺陷檢測的應用。結(jié)果表明：簡化LIIR檢測系統(tǒng)的調(diào)試更加簡單，理論計算量減少，而測量誤差