作者：祝捷，唐大伟 中科院工程热物理研究所 传热传质研究中心
纳米科学和技术作为崭新科技，将带来深刻的技术革命，为技术和经济发展展现了新的广阔前景。
《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》（国发〔2005〕44号）指出“物质在纳米尺度下表现出的奇异现象和规律将改变相关理论的现有框架，使人们对物质世界的认识进入到崭新的阶段，孕育着新的技术革命，给材料、信息、绿色制造、生物和医学等领域带来极大的发展空间。
纳米科技已成为许多国家提升核心竞争力的战略选择，也是我国有望实现跨越式发展的领域之一。”
纳米器件和材料的性能与宏观材料显著不同，宏观尺度下用于表征材料性质的分析方法和测试手段在纳米尺度下不再适用，开发针对纳米材料的新型表征方法与技术成为国际研究的前沿和热点之一。
基于纳米材料的微纳器件工作过程中能量输运均发生在受限纳米尺度结构内，纳米材料的能量输运性质将直接影响、决定微纳器件的性能。
如在信息技术领域，随着超大规模集成电路的发展，器件尺寸不断减小，运行速度和频率持续提高，导致单位芯片的功率密度不断增大。
根据摩尔定律，芯片上所集成电路的数目，每隔18个月就翻一番。
高集成度带来高能耗密度的同时，将引起芯片表面局部温度升高，从而降低了芯片的稳定性和可靠性。
目前，散热已成为芯片设计和制造的瓶颈。当半导体工艺小于100nm后，线宽将受到包括散热、量子效应等物理极限的约束。
许多学者认为摩尔定律可能在未来10~15年内不再适用，由于散热逐渐成为影响芯片性能的决定性因素，以散热为主导的半导体工业将逼近“热摩尔定律”。
纳米尺度下材料的热输运性质与宏观尺度材料存在很大差距，因此要评估功耗、散热与芯片可靠运行温度之间的关系，就必须对纳米材料的热输运性质有充分认识，包括微纳米材料内部和界面的导热性质，高频超快条件下载能粒子间的相互作用过程，及缺陷、杂质对局部温度的影响机制等。
可以看出，只有对纳米材料本身的能量输运性质进行高空间分辨的表征，才有可能调控并合成所需的纳米器件。
飞秒激光抽运-探测方法利用飞秒脉冲激光作为热源具有极高的瞬时热流密度，因而热反射信号较强，且可以有较高的抽运光调制频率（105-107 Hz），使得热信号向被测材料内部渗透的深度一般在几十纳米（nm）至几微米（μm）量级，是目前最适合于对微/纳尺度结构材料和界面能量输运性质进行测量的方法。
同时，飞秒激光抽运-探测系统具有飞秒（fs）-纳秒（ns）时间分辨率，其超快探测的属性已被广泛应用于金属材料内部电子-声子相互作用机理的研究。近几年，国际上越来越多的研究组应用该方法对纳米薄膜的热物理性质进行测量。
但是，常规单波长系统具有信噪比过低的难题，为此美国MIT的Gang Chen课题组和本课题组分别将各自的飞秒激光系统改造为双波长的设计方案。其主要思想是对抽运光和探测光使用不同波长的飞秒脉冲激光，在两束激光到达探测器之前使用具有高选择透过性的滤光片滤除加热激光。
由于该种滤光片的滤除效率可以达到10-7至10-9，大大优于应用偏振方法的10-3至10-4，从而大幅提高测量精度。
在飞秒激光抽运-探测系统中，飞秒激光被分为两束，分别作为抽运光和探测光。其中抽运光脉冲用来瞬时加热待测样品表面，由于飞秒激光具有超快属性及极大的瞬时功率，可因而以在很短的时间内将被测材料表面温度升高；样品表面被加热后，热量会随着时间的推移而传入样品内部，样品表面的温度便随之变化；而应用热反射原理，通过测量探测光反射率的变化，可以得到样品表面瞬间的温度变化。
利用位移平台，使探测光与抽运光之间形成一定的光程差，从而造成抽运光脉冲到达样品表面后，探测光脉冲将会延迟一定时间再到达，因而测量到的温度变化值为该延迟时间点上的瞬时值。
通过位移平台的移动，可得到不同延迟时间点的温度变化，从而得到样品表面的温度随时间变化曲线（系统原理如图1）。
再经过测量曲线与传热模型的对比分析，可以得到待测样品的热物性参数。
对于纳米尺度材料，非稳态传热过程非常短暂（皮秒至纳秒量级），只能通过这种飞秒激光抽运-探测的办法才能观测到，因而该方法是对纳米结构材料及界面热物性最佳的测量方法。
如图1所示，实验系统所用的激光器发出波长800 nm，脉冲宽度150 fs，重复频率80 MHz的脉冲激光；倍频模块，可以产生二次谐波（SHG），即400 nm的激光，该激光具有和入射光相同的重复频率和相近的脉冲宽度。这是该系统最重要的一项进步，使得双波长的光路设计得以实现。
具有双波长设计的抽运探测系统，在探测光进入探测器之前，可以使用高选择透过性滤光片将抽运光彻底滤除；位移平台行程范围0~60 cm，并采用双次反射光路设计，实现可测信号时间长度达到8纳秒。
传热传质研究中心已建成了上述双波长的飞秒激光抽运-探测系统，并已成功实现了对各类金属、半导体、纳米复合材料、以及高分子聚合物等薄膜材料热导率的测量，薄膜厚度涵盖几纳米至几微米的范围。对纳米热功能材料的表征、设计及加工都具有重要的指导意义，并在基础研究领域为微纳尺度下热输运特性的研究提供了重要的技术支持。
信息来源：中国科学院工程热物理研究所
