一种测量半导体二维材料瞬时散热性能的装置的制作方法

1.本技术涉及拉曼光谱仪领域，具体为一种可应用于拉曼系统下测量半导体二维材料瞬时散热性能的装置，特别涉及用于当二维材料与不同三维结构相结合时的散热效率的测量。


背景技术：

2.拉曼散射是印度科学家(ramancv)于1928年发现，指材料中分子对光子的一种非弹性散射效应。基于拉曼散射的发现，拉曼光谱表征技术已迅速发展起来，是一种典型的光谱分析技术。拉曼光谱扫描是一种无损的探测技术，依靠该技术可测量样品的化学结构、分子互相作用和材料导热率等信息。相比于其他常规化学分析技术，拉曼光谱分析技术拥有很多优势，例如检测时间短、操作简便、无需样品预处理以及对样品的无损伤测量等。拉曼光谱测量从最初的太阳日光作为聚焦光源，到现在的快速发展出的激光作为聚焦光源，拉曼光谱测试仪的实际应用得到了空前地发展。
3.目前，拉曼光谱技术在化工、微电子、以及材料分析等多个领域得到了广泛的应用，尤其是对于二维微纳材料的研究，它已经成为首选的工具之一。相比较于其他光学表征技术，例如光学显微镜、扫描隧道显微镜、透射电子显微镜对二维材料的结构测试以及表征，拉曼光谱扫描技术以其快速、操作便捷、样品无损、可重复率高以及可测量材料导热率的特点使得它在二维材料的表征中具有独一无二的优势。拉曼光谱不仅可以用来探测二维材料的固有性能，如晶体结构、电子结构、晶格振动等，也可以用来研究材料的应力、缺陷、热导率等性质。在单层石墨烯被发现之前，拉曼光谱主要被用于体材料的测量，随着不同层数石墨烯的拉曼光谱被测得，拉曼光谱技术已经被扩展到各种薄层二维材料的研究之中，并已成为二维材料研究中最为重要的技术手段。
4.当代二维材料(如石墨烯)由于其优异的结构、超高的载流子迁移率和杨氏模量，使其在微电子热管理领域受到了广泛的关注与研究。那么对其结构、导热率以及散热性能进行精确、快速表征显得非常重要。对于目前的热管理研究领域，拉曼光谱仪仅限于对材料本身导热率的测量。但对于将二维材料与三维结构相结合的样品，例如经过微纳加工工艺，表面具备三维结构的硅基
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石墨烯样品，在研究其散热效率时，传统的拉曼光谱扫描仪将无法实现表征与测量。
5.目前，还没有一种能够在利用现有的拉曼光谱扫描仪的前提下，实现对三维结构下的二维材料的散热效率测量的一种仪器设备。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于，提供一种可应用在拉曼系统显微镜下测量半导体二维材料瞬时散热性能的装置，以解决现有装置难以在测量不同二维材料导热率的同时，实现对类似于硅基
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石墨烯样品的散热效率的测量的技术问题。
7.本实用新型的实施例提供了一种测量半导体二维材料瞬时散热性能的装置，包
括：
8.风道腔，所述风道腔包括进气口和出风口，所述风道腔上还开设有透视窗，所述透视窗用于透过拉曼激光；
9.加热装置，所述加热装置固定于所述风道腔内，且所述加热装置的加热面与所述透视窗相对，所述加热装置用于加热放置于其上的测试样品。
10.优选地，所述风道腔包括箱式的腔体和与所述腔体可拆卸连接的盖板；
11.所述腔体上设置有进气口和出风口；
12.所述盖板包括板体和透视窗；所述透视窗开设于所述板体上，用于透过拉曼激光。
13.优选地，所述透视窗包括高透石英玻璃和玻璃压盖；
14.所述高透石英玻璃设置于所述板体靠近所述腔体的一侧；
15.所述玻璃压盖设置于所述板体远离所述腔体的一侧，用于将所述高透石英玻璃固定于所述板体上。
16.优选地，所述板体上开设有边缘呈阶梯状的透视孔；
17.所述透视孔由第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽组成，所述第一凹槽的直径小于第二凹槽，所述第二凹槽的直径小于第三凹槽；
18.所述第一凹槽设置于所述板体靠近所述腔体的一侧，用于放置所述高透石英玻璃；
19.所述第二凹槽上设置有橡胶垫圈，用于密封所述高透石英玻璃与所述玻璃压盖之间的空隙；
20.所述第三凹槽设置于所述板体远离所述腔体的一侧，用于放置玻璃压盖。
21.优选地，还包括样品固定螺栓；
22.所述样品固定螺栓穿过所述板体的板面将所述测试样品固定于所述加热装置上。
23.优选地，还包括多个紧固螺栓；
24.多个所述紧固螺栓穿过所述板体的侧壁并与所述加热装置的边缘接触，用于将所述加热装置固定于所述腔体内。
25.优选地，所述腔体与所述盖板通过螺栓连接。
26.优选地，所述玻璃压盖与所述板体的板面通过螺栓连接。
27.优选地，还包括快接头；
28.所述快接头包括前端气嘴和后端气嘴；
29.所述前端气嘴与所述进气口连接，所述后端气嘴与外部气源连接。
30.优选地，所述进气口和所述出风口相对设置。
31.本实用新型的测量半导体二维材料瞬时散热性能的装置相较于现有技术，具有如下有益效果：
32.本实用新型的风道腔的腔体与盖板可以通过螺丝方便地进行组合与拆卸，便于测试样品的放置与更换，并且二者中间配有橡胶垫圈，确保密封不漏气。盖板的中心圆洞与周围的凹槽设计，配合高透石英玻璃、橡胶垫圈和玻璃压片，保证了气体在不从中心圆洞周围缝隙泄露的前提下，拉曼光谱仪的激光可以穿透并探测到风道腔中的测试样品表面。
33.本实用新型可以实现在使用现有拉曼光谱测试仪的条件下，完成对不同二维材料与半导体三维结构的瞬时散热效率的测量，并且体积较小，重量较轻，组装和拆卸简易，方
便搬运，各部件利用率高。
附图说明
34.图1是本实用新型的整体结构立体图；
35.图2是图1的俯视图；
36.图3是图1的侧视图；
37.图4是图1的前视图；
38.图5是本实用新型风道腔的腔体的结构示意图；
39.图6是本实用新型盖板的结构示意图；
40.图7为本实用新型玻璃压盖的结构示意图；
41.图8为本实用新型气体快接头的结构示意图。
42.部件和附图标记列表：
43.1、腔体；2、板体；3、快接头；4、玻璃压盖；5、高透石英玻璃；6a、紧固螺孔；6b、第一连接螺孔；6c、第二连接螺孔；6d、样品固定螺孔；6e、第三连接螺孔；6f、第四连接螺孔；6g、第五连接螺孔；7、外部凹槽；8、进气口；9、出风口；10a、第一凹槽；10b、第二凹槽；10c、第三凹槽；11、前端气嘴；12、后端气嘴。
具体实施方式
44.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
45.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
46.另外，还需要说明的是，本实用新型实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
47.本实用新型的实施例提供了一种测量半导体二维材料瞬时散热性能的装置，包括风道腔和加热装置。其中，风道腔包括进气口8和出风口9，风道腔上还开设有透视窗，透视窗用于透过拉曼激光；加热装置固定于风道腔内，且加热装置的加热面与透视窗相对，加热装置用于加热放置于其上的测试样品。本实施例的加热装置可以为加热管或者加热片，优选为便于放置样品的加热片。
48.进一步地，风道腔包括箱式的腔体和与腔体可拆卸连接的盖板，腔体上设置有进气口8和出风口9；盖板包括板体2和透视窗；透视窗开设于板体上，用于透过拉曼激光。
49.本实施例的透视窗包括高透石英玻璃5和玻璃压盖4；高透石英玻璃5设置于板体2靠近腔体1的一侧；玻璃压盖4设置于板体2远离腔体1的一侧，用于将高透石英玻璃5固定于板体2上。
50.为实现透视窗与板体2的密封连接，本实施例在板体2上开设有边缘呈阶梯状的透视孔；透视孔由第一凹槽10a、第二凹槽10b和第三凹槽10c组成，第一凹槽10a的直径小于第二凹槽10b，第二凹槽10b的直径小于第三凹槽10c；其中第一凹槽10a设置于板体2靠近腔体
1的一侧，用于放置高透石英玻璃5；第二凹槽10b上设置有橡胶垫圈，用于密封高透石英玻璃5与玻璃压盖4之间的空隙；第三凹槽10c设置于板体2远离腔体1的一侧，用于放置玻璃压盖4。
51.为实现样品的固定，本实施例还设置了样品固定螺栓；样品固定螺栓穿过板体2的板面上的样品固定螺孔6d，从而将测试样品固定于加热装置上。
52.本实施例的加热装置与腔体1的固定方式，可以为在腔体内设置固定支架，也可以通过螺栓进行固定，优选为螺栓固定。为实现螺栓固定，本实施例还设置了多个紧固螺栓；多个紧固螺栓穿过腔体1侧壁上开设的紧固螺孔6a并与加热装置的边缘接触，用于将加热装置固定于腔体内。
53.本实施例的腔体1与盖板的可拆卸连接方式可以为通过螺栓连接。通过螺栓连接时，在腔体上设置有第一连接螺孔6b，在盖板的板体2上设置有与第一连接螺孔位置对应、数量相同的第二连接螺孔6c，螺栓依次穿过对应的第一连接螺孔6b及第二连接螺孔6c即可将腔体1与盖板进行连接。为保证连接的密封性，本实施例在腔体1与盖板的连接处还设置有橡胶垫圈。
54.本实施例的玻璃压盖4与板体2的板面可通过螺栓连接，螺栓连接时，在板体2上还设置有第三连接螺孔6e，在玻璃压盖4上设置有第四连接螺孔6f，螺栓依次穿过对应的第三连接螺孔6e及第四连接螺孔6f即可将板体2与玻璃压盖4进行连接。
55.优选地，本实施例还包括外加的快接头3；快接头3包括前端气嘴11和后端气嘴12；前端气嘴11与进气口8连接，后端气嘴12与外部气源连接。进一步地，为实现固定气流流向，本实施例限定进气口8和出风口9相对设置，保证气流从进气口入，从出风口出。
56.下面将以更为详细的实施例详述本技术。
57.如图1
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8所示，本实用新型提供了一种可应用在拉曼系统显微镜下的测量半导体二维材料瞬时散热性能的装置，其实际为一种便携式样品加热通风腔体设备，具体结构包括风道腔和加热装置。风道腔的腔体1用于放置测试样品以及加热片，使用快接头3将风道腔与外部的氮气瓶连接，从而向风道腔内提供气流，加热片与外部电压源连接，实现加热；盖板能够帮助密封腔体，保证气流从进气口8入，从出风口9出，固定气体流向。进一步配合中心的高透视石英玻璃5，保证了拉曼激光可以穿透盖板并探测到样品表面。腔体1与盖板的板体2可以方便地进行组合与拆卸。
58.图1至4示出了本实用新型—实施例的结构示意图。在本实施例中，风道腔由箱式的腔体1和与腔体1可拆卸连接的盖板组成，腔体1的进气口8与快接头3连接；盖板由板体2、玻璃压盖4及高透石英玻璃5组成。
59.图5示出了根据本实用新型—实施例的风道腔的腔体的结构立体图。如图所示，腔体的侧壁上设置有8个紧固螺孔6a，其规格为m2；腔体的顶部设置有10个第一连接螺孔6b，其规格为m3。8个紧固螺孔6a为贯通设计，用于固定腔体1内放置的加热片，10个第一连接螺孔6b深度为6mm，用于与盖板的板体2进行连接。外部凹槽7深度为1.2mm，用于镶嵌橡胶垫圈，密封盖板与腔体1之间的缝隙。可以理解的是，能够实现上述功能的其他螺丝孔分布、个数及大小也是可能的。
60.图6示出了根据本实用新型—实施例的盖板的立体图。如图所示，盖板边缘设置有10个第二连接螺孔6c，其规格为m3；盖板的中心设置有4个样品固定螺孔6d，其规格为m1.6
和4个第三连接螺孔6e，其规格为m2。十个第二连接螺孔6c为贯通设计，用于与腔体1进行连接。四个样品固定螺孔6d为贯通设计，用于拧入螺丝固定加热片上的样品的四个角。四个第三连接螺孔6e深度为2mm，用于连接玻璃压盖4。透视孔的边缘有三个凹槽，分别为第一凹槽10a、第二凹槽10b和第三凹槽10c，第一凹槽10a的直径小于第二凹槽10b，第二凹槽10b的直径小于第三凹槽10c；其中第一凹槽10a设置于板体2靠近腔体1的一侧，用于放置高透石英玻璃5；第二凹槽10b上设置有橡胶垫圈，用于密封高透石英玻璃5与玻璃压盖4之间的空隙；第三凹槽10c设置于板体2远离腔体1的一侧，用于放置玻璃压盖4。第一凹槽10a尺寸为φ18，用于镶嵌高透石英玻璃。第二凹槽10b尺寸为φ20，用于放置橡胶垫圈。第三凹槽10c尺寸为φ22，用于放置玻璃压盖4。
61.图7示出了根据本实用新型—实施例的玻璃压盖的立体图。如图所示，第四连接螺孔6f为贯通设计，尺寸为φ2.6，用于与图6中的第三连接螺孔6e连接。另外四个半开口的第五连接螺孔6g为贯通设计，尺寸为3 x r1.5，用于与图6中的样品固定螺孔6d连接。
62.图8示出了根据本实用新型—实施例的气体快接头的立体图。前端气嘴11尺寸为φ6，用于与图5中的进气口8连接。后端气嘴12尺寸为φ8，用于与外部气管和氮气瓶连接。可以理解的是，能够实现上述功能的其他快接头尺寸及连接方式也是可能的。
63.在具体实施案例中，首先对腔体1进行组装：将快接头3与进气口8连接，橡胶垫圈嵌入外部凹槽7中。然后将加热片放入腔体底部，把导线从腔体的出风口9伸出以便之后与外部电压源连接为加热片供电。使用m2螺丝从紧固螺孔6a拧入并将加热片从两侧固定，防止测试过程中因外部环境影响改变加热片位置。下一步组装盖板：将高透石英玻璃5、橡胶垫圈与玻璃压盖4依次放入盖板中心的第一凹槽10a、第二凹槽10b和第三凹槽10c中，然后将第三连接螺孔6e和第四连接螺孔6f对准并使用m2螺丝连接固定玻璃压盖。之后将测试样品放入已固定在腔体底部的加热片之上，将第一连接螺孔6b与第二连接螺孔6c对准并使用m3螺丝连接并固定盖板的板体2与腔体1。
64.完成通风腔体的整体安装之后，接下来要对样品进行固定。先将四颗m1.6的螺丝分别放入四个样品固定螺孔6d并向下拧至快要接触到样品表面位置，随后分别缓慢调拧螺丝直到四颗螺丝接触到样品的四个角，将样品固定在加热片上。需要注意的是，在此实施例中采用物理固定的方法来固定样品对样品表面有一定的磨损，且整个过程需要缓慢进行，不然容易导致样品损坏。在此实施例中，采用长度为8mm的m1.6螺丝进行样品固定，可根据实际测试中样品到盖板的距离进行调整。可以想到的是，如若对固定样品的方法没有特殊需求，且可以接受引入导热中介材料(如导热硅脂等)，其他合理的固定方式也是可行的。
65.将样品固定完成后，最后将通风腔体放置在拉曼测试显微镜下的样品台上，使用气管连接快接头3的后端气嘴12与外部氮气瓶，将加热片的导线与外部电压源连接。至此，便携式样品加热通风腔体设备就完成了拉曼光谱扫描系统显微镜下的安装并可用于测试样品的瞬时散热性能。可以理解的是，整套设备采用不锈钢材料切割并制作，其他材料在不影响测试结果及拉曼系统性能的前提下，也是可行的，比如全透明的载玻片玻璃等。
66.本实用新型的风道腔的腔体与盖板可以通过螺丝方便地进行组合与拆卸，便于测试样品的放置与更换，并且二者中间配有橡胶垫圈，确保密封不漏气。盖板的中心圆洞与周围的凹槽设计，配合高透石英玻璃、橡胶垫圈和玻璃压片，保证了气体在不从中心圆洞周围缝隙泄露的前提下，拉曼光谱仪的激光可以穿透并探测到风道腔中的测试样品表面。
67.本实用新型可以实现在使用现有拉曼光谱测试仪的条件下，完成对不同二维材料与半导体三维结构的瞬时散热效率的测量，并且体积较小，重量较轻，组装和拆卸简易，方便搬运，各部件利用率高。
68.虽然以上对本实用新型的实施例的结构、特征和使用方法进行了详细的描述，但是这些描述并不意图限制本实用新型。任何本领域普通技术人员经过阅读这些描述在本实用新型的精神下对本实用新型进行显而易见的改进和变更都是可能的，并且这些改进和变更都列入本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围仅由所附权利要求书确定。