This paper describes the instrumentation for broadband frequency domain thermoreflectance (BB-FDTR), a novel, continuous wave laser technique for measuring the thermal conductivity accumulation function. The thermal conductivity accumulation function describes cumulative contributions to the bulk thermal conductivity of a material from energy carriers with different mean free paths. It can be used to map reductions in thermal conductivity in nano-devices, which arise when the dimensions of the device are commensurate to the mean free path of energy carriers. BB-FDTR uses high frequency surface temperature modulation to generate non-diffusive phonon transport realized through a reduction in the perceived thermal conductivity. By controlling the modulation frequency it is possible to reconstruct the thermal conductivity accumulation function. A unique heterodyning technique is used to down-convert the signal, therein improving our signal to noise ratio and enabling results over a broader range of modulation frequencies (200 kHz–200 MHz) and hence mean free paths.

1.
A. I.
Hochbaum
,
R.
Chen
,
R. D.
Delgado
,
W.
Liang
,
E. C.
Garnett
,
M.
Najarian
,
A.
Majumdar
, and
P.
Yang
,
Nature (London)
451
,
163
(
2008
).
2.
B.
Poudel
,
Q.
Hao
,
Y.
Ma
,
Y.
Lan
,
A. J.
Minnich
,
B.
Yu
,
X.
Yan
,
D.
Wang
,
A.
Muto
,
D.
Vashaee
,
X.
Chen
,
J.
Liu
,
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
, and
Z.
Ren
,
Science
320
,
634
(
2008
).
3.
A. A.
Balandin
,
Nat. Mater.
10
,
569
(
2011
).
4.
R. J.
Mehta
,
Y. L.
Zhang
,
C.
Karthik
,
B.
Singh
,
R. W.
Siegel
,
T.
Borca-Tasciuc
, and
G.
Ramanath
,
Nat. Mater.
11
,
233
(
2012
).
5.
K.
Esfarjani
and
G.
Chen
,
Phys. Rev. B
84
,
085204
(
2011
).
6.
A. J.
Minnich
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
205901
(
2012
).
7.
J. A.
Johnson
,
A. A.
Maznev
,
J.
Cuffe
,
J. K.
Eliason
,
A. J.
Minnich
,
T.
Kehoe
,
C. M.
Sotomayor Torres
,
G.
Chen
, and
K. A.
Nelson
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
025901
(
2013
).
8.
J. A.
Johnson
,
A. A.
Maznev
,
J. K.
Eliason
,
A. J.
Minnich
,
K.
Collins
,
G.
Chen
,
J.
Cuffe
,
T.
Kehoe
,
C. M.
Sotomayor Torres
, and
K. A.
Nelson
,
Mater. Res. Soc. Symp. Proc.
1347
, (
2011
).
9.
A. J.
Minnich
,
J. A.
Johnson
,
A. J.
Schmidt
,
K.
Esfarjani
,
M. S.
Dresselhaus
,
K. A.
Nelson
, and
G.
Chen
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
095901
(
2011
).
10.
F.
Yang
and
C.
Dames
,
Phys. Rev. B
87
,
035437
(
2013
).
11.
C.
Dames
and
G.
Chen
, “
Thermal conductivity of nanostructured thermoelectric materials
,” in
Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano
, edited by
D. M.
Rowe
(
CRC Press
,
Boca Raton
,
2006
).
12.
Y. K.
Koh
and
D. G.
Cahill
,
Phys. Rev. B
76
,
075207
(
2007
).
13.
M. E.
Siemens
,
Q.
Li
,
R.
Yang
,
K. A.
Nelson
,
E. H.
Anderson
,
M. M.
Murnane
, and
H. C.
Kapteyn
,
Nat. Mater.
9
,
26
(
2009
).
14.
C. A.
Paddock
and
G. L.
Eesley
,
J. Appl. Phys.
60
,
285
(
1986
).
15.
W. S.
Capinski
and
H. J.
Maris
,
Rev. Sci. Instrum.
67
,
2720
(
1996
).
16.
B.
Bonello
,
B.
Perrin
, and
C.
Rossignol
,
J. Appl. Phys.
83
,
3081
(
1998
).
17.
A. J.
Minnich
,
G.
Chen
,
S.
Mansoor
, and
B. S.
Yilbas
,
Phys. Rev. B
84
,
235207
(
2011
).
18.
J. A.
Johnson
,
A. A.
Maznev
,
M. T.
Bulsara
,
E. A.
Fitzgerald
,
T. C.
Harman
,
S.
Calawa
,
C. J.
Vineis
,
G.
Turner
, and
K. A.
Nelson
,
J. Appl. Phys.
111
,
023503
(
2012
).
19.
J. A.
Schmidt
,
R.
Cheaito
, and
M.
Chiesa
,
Rev. Sci. Instrum.
80
,
094901
(
2009
).
20.
J. A.
Malen
,
K.
Baheti
,
T.
Tong
,
Y.
Zhao
,
J. A.
Hudgings
, and
A.
Majumdar
,
J. Heat Transfer
133
,
081601
(
2011
).
21.
N.
Taketoshi
,
M.
Ozawa
,
H.
Ohta
, and
T.
Baba
,
AIP Conf. Proc.
463
,
315
(
1999
).
22.
K.
Hatori
,
N.
Taketoshi
,
T.
Baba
, and
H.
Ohta
,
Rev. Sci. Instrum.
76
,
114901
(
2005
).
23.
F.
Lepoutre
,
D.
Balageas
,
P.
Forge
,
S.
Hirschi
,
J. L.
Joulaud
,
D.
Rochais
, and
F. C.
Chen
,
J. Appl. Phys.
78
,
2208
(
1995
).
24.
L.
Pottier
,
Appl. Phys. Lett.
64
,
1618
(
1994
).
25.
W.
Ong
,
S. M.
Rupich
,
D. V.
Talapin
,
A. J. H.
McGaughey
, and
J. A.
Malen
,
Nat. Mater.
12
,
410
(
2013
).
26.
K. T.
Regner
,
D. P.
Sellan
,
Z.
Su
,
C. H.
Amon
,
A. J. H.
McGaughey
, and
J. A.
Malen
,
Nat. Commun.
4
,
1640
(
2013
).
27.
W. J.
Scouler
,
Phys. Rev. Lett.
18
,
445
(
1967
).
28.
D. G.
Cahill
,
Rev. Sci. Instrum.
75
,
5119
(
2004
).
29.
A. J.
Schmidt
,
X.
Chen
, and
G.
Chen
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
114902
(
2008
).
30.
R. M.
Costescu
,
M. A.
Wall
, and
D. G.
Cahill
,
Phys. Rev. B
67
,
054302
(
2003
).
31.
A. V.
Inyushkin
,
A. N.
Taldenkov
,
A. M.
Gibin
,
A. V.
Gusev
, and
H. J.
Pohl
,
Phys. Status Solidi C
1
,
2995
(
2004
).
32.
C. J.
Glassbrenner
and
G. A.
Slack
,
Phys. Rev.
134
,
A1058
(
1964
).
You do not currently have access to this content.