本文關(guān)鍵詞：薄層材料熱性能和缺陷的激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 無損檢測 激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測 熱擴(kuò)散率檢測 缺陷成像

【摘要】：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(xiàn)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(shè)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(guān)系的研究也已成為研究熱點。激光誘導(dǎo)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應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用研究日趨活躍。本文重點開展了透射式LIIR的簡化與改進(jìn),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(yīng)用。1、熱擴(kuò)散率的LIIR檢測機(jī)理熱擴(kuò)散率決定了熱量在材料中的傳導(dǎo)過程,從而決定了材料中溫度的分布,進(jìn)而影響熱載流子非輻射復(fù)合發(fā)出的中遠(yuǎn)紅外輻射。測量材料透射面的中遠(yuǎn)紅外輻射,可得到LIIR信號相位與頻率的關(guān)系曲線。建立三維理論模型,推導(dǎo)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(dá)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(guān)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(kuò)散率。2、缺陷的LIIR檢測機(jī)理內(nèi)部缺陷會影響材料中的熱傳導(dǎo)過程,而表面和亞表面缺陷則影響材料的吸收特性和發(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(dǎo)體材料LIIR信號還可能包括光生載流子輻射復(fù)合產(chǎn)生的近紅外輻射。因此,探測中遠(yuǎn)紅外熱輻射和近紅外輻射的分布,可更全面地分析半導(dǎo)體材料的缺陷。3、LIIR系統(tǒng)的簡化和改進(jìn)在傳統(tǒng)透射式LIIR系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)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(yīng)地可以簡化理論模型并減少計算量。對簡化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(yuǎn)紅外輻射。用電腦內(nèi)置聲卡替代鎖相放大器進(jìn)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(kuò)散率的LIIR檢測用簡化LIIR系統(tǒng)和光聲壓電(PAPE)系統(tǒng)測量不同厚度銅和鋁的熱擴(kuò)散率,兩系統(tǒng)的測量值可相互對比和驗證,并用相關(guān)理論對測量值進(jìn)行評價和誤差分析,進(jìn)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(fù)合產(chǎn)生的中遠(yuǎn)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(fù)合產(chǎn)生的近紅外輻射分布,進(jìn)一步可研究這兩種輻射機(jī)制對半導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)了相應(yīng)紅外輻射的理論表達(dá)式,開展了金屬薄層材料熱擴(kuò)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(yīng)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,而測量誤差卻較小,適用于薄層材料熱性能的測試及其與材料微觀結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的研究;簡化掃描LIIR系統(tǒng)可基于熱載流子非輻射復(fù)合和光生載流子輻射復(fù)合兩種機(jī)制對半導(dǎo)體薄層材料缺陷的探測和分析;快速掃描LIIR檢測系統(tǒng)可有效檢測出缺陷,具有無接觸、價格低廉、靈敏度和效率較高等優(yōu)點,適于薄層材料缺陷的快速檢測和分析。
【關(guān)鍵詞】：無損檢測 激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測 熱擴(kuò)散率檢測 缺陷成像
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB303
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-32
• 1.1 引言12-29
• 1.1.1 金屬薄層材料的熱傳導(dǎo)性質(zhì)12-17
• 1.1.2 薄層材料熱性能參數(shù)的檢測17-25
• 1.1.2.1 傳統(tǒng)薄層材料熱性能參數(shù)檢測方法17-24
• 1.1.2.2 薄層材料熱擴(kuò)散率的激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測24-25
• 1.1.3 薄膜太陽能電池缺陷的檢測方法25-29
• 1.1.3.1 傳統(tǒng)薄膜太陽能電池缺陷檢測方法25-28
• 1.1.3.2 激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測方法28-29
• 1.2 本文的主要貢獻(xiàn)與創(chuàng)新29-30
• 1.3 本論文的結(jié)構(gòu)安排30-32
• 第二章 激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測技術(shù)理論基礎(chǔ)32-56
• 2.1 光聲光熱效應(yīng)32-33
• 2.2 熱載流子33-36
• 2.3 調(diào)制激光誘導(dǎo)的熱傳導(dǎo)過程36-49
• 2.3.1 熱載流子的分布狀態(tài)36-42
• 2.3.2 熱傳導(dǎo)方程的推導(dǎo)42-45
• 2.3.3 調(diào)制激光誘導(dǎo)的溫度分布的推導(dǎo)45-49
• 2.4 調(diào)制激光誘導(dǎo)的熱輻射49-55
• 2.4.1 熱輻射定律49-53
• 2.4.2 調(diào)制激光誘導(dǎo)的紅外輻射的推導(dǎo)53-55
• 2.5 本章小結(jié)55-56
• 第三章 金屬薄層材料熱擴(kuò)散率的激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測研究56-92
• 3.1 調(diào)制激光誘導(dǎo)紅外輻射信號的數(shù)值計算56-75
• 3.1.1 調(diào)制激光誘導(dǎo)的溫升分布計算56-73
• 3.1.2 調(diào)制激光誘導(dǎo)的紅外輻射計算73-75
• 3.2 金屬薄層材料熱擴(kuò)散率的激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測75-84
• 3.2.1 簡化激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測系統(tǒng)76-82
• 3.2.2 簡化激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測系統(tǒng)測定金屬薄層材料熱擴(kuò)散率82-84
• 3.3 簡化激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測系統(tǒng)的驗證與分析84-91
• 3.3.1 簡化激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測系統(tǒng)的驗證84-90
• 3.3.3.1 光聲壓電技術(shù)對較厚材料熱擴(kuò)散率的測試84-87
• 3.3.3.2 光聲壓電與激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測系統(tǒng)測量值的相互印證87-90
• 3.3.2 簡化激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測系統(tǒng)的優(yōu)勢分析90-91
• 3.4 本章小結(jié)91-92
• 第四章 薄膜太陽能電池缺陷的掃描激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測研究92-114
• 4.1 薄膜太陽能電池的缺陷及其影響92-93
• 4.2 基于光聲光熱效應(yīng)的缺陷檢測方法93-95
• 4.2.1 掃描光聲壓電法93-94
• 4.2.2 掃描激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測法94-95
• 4.3 非晶硅薄膜太陽能電池缺陷的簡化掃描激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測95-102
• 4.3.1 簡化掃描激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測系統(tǒng)96-98
• 4.3.2 簡化掃描激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測非晶硅薄膜太陽能電池缺陷98-102
• 4.4 非晶硅薄膜太陽能電池缺陷的快速掃描激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測102-107
• 4.4.1 快速掃描激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測系統(tǒng)102-104
• 4.4.2 快速掃描激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測非晶硅薄膜太陽能電池缺陷104-106
• 4.4.3 快速掃描激光誘導(dǎo)紅外輻射檢測系統(tǒng)分析106-107
• 4.5 快速掃描激光誘導(dǎo)紅外輻射的非線性107-113
• 4.5.1 快速掃描激光誘導(dǎo)紅外輻射的非線性現(xiàn)象107-109
• 4.5.2 快速掃描激光誘導(dǎo)紅外輻射的非線性分析109-113
• 4.6 本章小結(jié)113-114
• 第五章 全文總結(jié)與展望114-116
• 5.1 全文總結(jié)114-115
• 5.2 后續(xù)工作展望115-116
• 致謝116-117
• 參考文獻(xiàn)117-130
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的成果130-132

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