薄层材料热性能和缺陷的激光诱导红外辐射检测技术研究

发布时间：2017-09-21 22:29

  本文关键词：薄层材料热性能和缺陷的激光诱导红外辐射检测技术研究

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【摘要】：现代新兴工业与科研中大量使用薄层材料,其热物理性质与块体材料存在差异。而目前薄层材料热性能参数的测量值难以在文献中查找得到,需通过实际测量得到。但现有的薄层材料热性能测量方法对样品和设备的要求较高,只能在实验室内使用。因此,发展无接触的、方便快捷的、成本低的薄层材料热性能测量技术就有着迫切的需求。薄层材料热物理性质与材料微观结构之间关系的研究也已成为研究热点。激光诱导红外辐射检测技术(LIIR,又称光热辐射测量技术)是一种基于光声光热效应的新型无损检测技术,因其具有非接触、高灵敏度等特点,在热性能检测领域的应用研究日趋活跃。本文重点开展了透射式LIIR的简化与改进,及其在金属薄层材料热性能参数检测和非晶硅薄膜太阳能电池缺陷检测方面的应用。1、热扩散率的LIIR检测机理热扩散率决定了热量在材料中的传导过程,从而决定了材料中温度的分布,进而影响热载流子非辐射复合发出的中远红外辐射。测量材料透射面的中远红外辐射,可得到LIIR信号相位与频率的关系曲线。建立三维理论模型,推导材料吸收强度调制激光之后的温升分布和红外辐射信号表达式。通过材料温升分布及其表面红外辐射的数值计算,分析LIIR信号与激光参数、材料参数等的依赖关系。通过归一化和实验测量等手段减少影响LIIR信号的未知参数,再通过实验测量的LIIR信号相位-频率曲线与理论计算曲线拟合,就可以精确地确定材料的热扩散率。2、缺陷的LIIR检测机理内部缺陷会影响材料中的热传导过程,而表面和亚表面缺陷则影响材料的吸收特性和发射特性,均会影响材料表面的LIIR信号,通过探测其分布即可实现缺陷的检测和分析。而半导体材料LIIR信号还可能包括光生载流子辐射复合产生的近红外辐射。因此,探测中远红外热辐射和近红外辐射的分布,可更全面地分析半导体材料的缺陷。3、LIIR系统的简化和改进在传统透射式LIIR系统基础上进行简化,方便调试和使用,另一方面还可减小因材料受热后周期性膨胀对测量带来的影响,相应地可以简化理论模型并减少计算量。对简化LIIR系统安装二维电动扫描平台和自动控制与测量系统,即可探测材料的红外辐射分布。变隙HgCdZnTe红外探测器的可探测波段宽,只需更换滤光片,LIIR系统即可同时检测近红外辐射和中远红外辐射。用电脑内置声卡替代锁相放大器进行连续探测,可实现快速扫描LIIR检测系统。通过电磁隔离和系统参数的优化等手段提高系统信噪比,可保证测量的精确性。4、金属薄层材料热扩散率的LIIR检测用简化LIIR系统和光声压电(PAPE)系统测量不同厚度铜和铝的热扩散率,两系统的测量值可相互对比和验证,并用相关理论对测量值进行评价和误差分析,进一步可研究材料微结构对热性能的影响。5、非晶硅薄膜太阳能电池缺陷的LIIR检测用简化扫描LIIR系统扫描非晶硅薄膜太阳能电池,得到其热载流子非辐射复合产生的中远红外辐射分布,分析了各类缺陷的特征,以及调制频率对分辨率的影响;更换滤光片,扫描得到了该电池的光生载流子辐射复合产生的近红外辐射分布,进一步可研究这两种辐射机制对半导体中缺陷检测的互补性。用快速扫描LIIR系统对非晶硅薄膜太阳能电池扫描,可实现缺陷的快速检测。对快速扫描时得到的红外辐射信号进行频谱分析,可研究缺陷的LIIR信号特征。本文建立了简化LIIR的三维模型,推导了相应红外辐射的理论表达式,开展了金属薄层材料热扩散率的检测实验,拓展了LIIR检测技术在非晶硅薄膜太阳能电池缺陷检测的应用。结果表明:简化LIIR检测系统的调试更加简单,理论计算量减少,而测量误差却较小,适用于薄层材料热性能的测试及其与材料微观结构之间关系的研究;简化扫描LIIR系统可基于热载流子非辐射复合和光生载流子辐射复合两种机制对半导体薄层材料缺陷的探测和分析;快速扫描LIIR检测系统可有效检测出缺陷,具有无接触、价格低廉、灵敏度和效率较高等优点,适于薄层材料缺陷的快速检测和分析。
【关键词】：无损检测 激光诱导红外辐射检测 热扩散率检测 缺陷成像
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB303
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-32
• 1.1 引言12-29
• 1.1.1 金属薄层材料的热传导性质12-17
• 1.1.2 薄层材料热性能参数的检测17-25
• 1.1.2.1 传统薄层材料热性能参数检测方法17-24
• 1.1.2.2 薄层材料热扩散率的激光诱导红外辐射检测24-25
• 1.1.3 薄膜太阳能电池缺陷的检测方法25-29
• 1.1.3.1 传统薄膜太阳能电池缺陷检测方法25-28
• 1.1.3.2 激光诱导红外辐射检测方法28-29
• 1.2 本文的主要贡献与创新29-30
• 1.3 本论文的结构安排30-32
• 第二章 激光诱导红外辐射检测技术理论基础32-56
• 2.1 光声光热效应32-33
• 2.2 热载流子33-36
• 2.3 调制激光诱导的热传导过程36-49
• 2.3.1 热载流子的分布状态36-42
• 2.3.2 热传导方程的推导42-45
• 2.3.3 调制激光诱导的温度分布的推导45-49
• 2.4 调制激光诱导的热辐射49-55
• 2.4.1 热辐射定律49-53
• 2.4.2 调制激光诱导的红外辐射的推导53-55
• 2.5 本章小结55-56
• 第三章 金属薄层材料热扩散率的激光诱导红外辐射检测研究56-92
• 3.1 调制激光诱导红外辐射信号的数值计算56-75
• 3.1.1 调制激光诱导的温升分布计算56-73
• 3.1.2 调制激光诱导的红外辐射计算73-75
• 3.2 金属薄层材料热扩散率的激光诱导红外辐射检测75-84
• 3.2.1 简化激光诱导红外辐射检测系统76-82
• 3.2.2 简化激光诱导红外辐射检测系统测定金属薄层材料热扩散率82-84
• 3.3 简化激光诱导红外辐射检测系统的验证与分析84-91
• 3.3.1 简化激光诱导红外辐射检测系统的验证84-90
• 3.3.3.1 光声压电技术对较厚材料热扩散率的测试84-87
• 3.3.3.2 光声压电与激光诱导红外辐射检测系统测量值的相互印证87-90
• 3.3.2 简化激光诱导红外辐射检测系统的优势分析90-91
• 3.4 本章小结91-92
• 第四章 薄膜太阳能电池缺陷的扫描激光诱导红外辐射检测研究92-114
• 4.1 薄膜太阳能电池的缺陷及其影响92-93
• 4.2 基于光声光热效应的缺陷检测方法93-95
• 4.2.1 扫描光声压电法93-94
• 4.2.2 扫描激光诱导红外辐射检测法94-95
• 4.3 非晶硅薄膜太阳能电池缺陷的简化扫描激光诱导红外辐射检测95-102
• 4.3.1 简化扫描激光诱导红外辐射检测系统96-98
• 4.3.2 简化扫描激光诱导红外辐射检测非晶硅薄膜太阳能电池缺陷98-102
• 4.4 非晶硅薄膜太阳能电池缺陷的快速扫描激光诱导红外辐射检测102-107
• 4.4.1 快速扫描激光诱导红外辐射检测系统102-104
• 4.4.2 快速扫描激光诱导红外辐射检测非晶硅薄膜太阳能电池缺陷104-106
• 4.4.3 快速扫描激光诱导红外辐射检测系统分析106-107
• 4.5 快速扫描激光诱导红外辐射的非线性107-113
• 4.5.1 快速扫描激光诱导红外辐射的非线性现象107-109
• 4.5.2 快速扫描激光诱导红外辐射的非线性分析109-113
• 4.6 本章小结113-114
• 第五章 全文总结与展望114-116
• 5.1 全文总结114-115
• 5.2 后续工作展望115-116
• 致谢116-117
• 参考文献117-130
• 攻读博士学位期间取得的成果130-132

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本文编号：897258