低温下用3ω法测量热导率的研究

3ω法是测量体材料和薄膜材料热导率的主要方法之一。低温真空条件下测量热物性往往受接触热阻以及加热器自热效应的影响比较大。文中针对低温下体材料热导率的测量,通过总结国内外近年来用3ω法测量热导率的主要研究成果,对如何选择合适的加热频率以减小这两方面所带来的影响做了一些研究,并指出了低温下用3ω法测量体材料热导率的进一步研究工作。     

二氧化硅纳米薄膜非平衡热导率研究

二氧化硅纳米绝缘薄膜的传热是靠声子在薄膜的振动实现的.声子在纳米薄膜结构中传输的非平衡性影响了薄膜的热导率,3ω实验方法是一种可以对薄膜热导率进行瞬时测量的方法,本文采用3ω方法分别测量低频率段和高频段的二氧化硅薄膜温升及二氧化硅薄膜的热导率,对二氧化硅薄膜的非平衡热导率进行了分析.     

3ω法加热/测温膜中温度波解析及其在微/纳米薄膜导热系数测量中的应用

给出了3ω法测试系统中描述薄膜表面加热/测温膜中温度波动的级数形式解，并将复数温度波动的实部和虚部分开表示.利用该解分析了交流加热频率、加热膜宽度和材料热物性的组合参数对加热膜温度波动幅度的影响.并根据此解对测量原理的数学模型进行了修正，建立了相应的3ω测试系统，首先测定了厚度为500 nm SiO₂薄膜的导热系数，验证了实验系统的合理性.加大了测试频率，利用级数模型在高频段直接得到SiO₂薄膜的导热系数，结合低频段的数据同时确定了Si基体的导热系数.利用级数解分析测试了激光晶体Nd:YAG〈111〉面上多层ZrO₂/SiO₂增透膜的导热系数，测试的ZrO₂薄膜的导热系数比体材料小.进行了不确定度分析.结果表明，提出的分析方法可以有效研究微器件表面薄膜结构的导热性能. 关键词： ω法')" href="#">3ω法 微/纳米薄膜 导热系数 微尺度加热膜     

直流法测试薄膜热导的数值模拟研究

薄膜的热导率是薄膜热学性能的最重要参数之一, 相对于多数文献的二维或三维测试结构, 本文采用一维双端支撑悬臂梁结构研究了薄膜热导率的测试方法. 悬臂梁包含上层的兼做加热电阻及测温电阻的金属条和下层的待测试薄膜. 利用一维热传导方程推导并获得了在直流电流加热条件下, 悬臂梁的温升分布(Δ T)及加热电阻两端电压增量(Δ U) 表达式与薄膜热导率之间的关系. 采用ANSYS有限元软件仿真了不同仿真参数时的Δ T及Δ U, 仿真结果与温升表达式计算结果符合得很好. 与常用的3倍频率法(3ω) 薄膜热学性能测试方法相比, 一维悬臂梁直流法测试结构及手段较为简单且可以获得更为精确的结果.     

相变微胶囊的热导率测量

提出应用3ω谐波探测技术进行脲醛树脂-石蜡相变微胶囊的等效热导率测量方法。测试了跨越相变温度区间的微胶囊等效热导率,分析了等效热导率随温度的变化关系。在其相变温度区间内,热导率存在极大值,该极值点对应的温度与其相变温度峰值一致。同样温度下,降温时的等效热导率略小于升温,这主要是由降温时相变材料的过冷引起。     

碲化铋取向纳米柱状薄膜热导率测量

将热电材料制作成纳米柱状薄膜结构是一种理论上能有效降低热导率、从而大幅提升热电优值的操控手段。但是随之而来的问题是纳米柱状薄膜热导率的精确获取困难,因为常规的热物性测试手段已无法适用于该类表面多孔、厚度为微米量级结构热输运特性的表征。本文提出利用3ω方法可实现Bi_2Te_3取向纳米柱状薄膜热导率实验表征的测量结构,并且获得了纳米柱状薄膜的热导率和热扩散率值。该方法有望用于微米厚纳米柱状薄膜结构热输运性能的实验评价。     

超低温下金纳米薄膜导电和导热性质的实验研究

受到晶界和表面对电子散射的影响,金属纳米薄膜在导电和导热方面表现出与体材料不同的性质。实验研究了厚度为76 nm的金薄膜在不同温度(3～240K)下的导电和导热特性。结果表明薄膜电导率和热导率均大大低于体材料值;薄膜和体材料的电导率随温度变化趋势相同,热导率的变化趋势相反;薄膜的Lorenz数大于体材料值,Wiedemann-Franz定理不成立。     

纳米多孔氩薄膜热导率的分子动力学模拟

利用经典的Lennard-Jones势能模型,采用分子动力学模拟方法研究纳米多孔氩薄膜热导率.结果表明,纳米多孔氩薄膜热导率明显小于同温度下纯纳米氩薄膜热导率,并且孔隙率越大热导率减小越多.借助基于并联方法的有效热导率模型,对纳米多孔氩薄膜的热导率随孔隙率的变化进行解释.模拟结果还发现,薄膜内的多孔分布对薄膜的热导率有影响.     

具有独立探头的3ω技术测量固体热导率

设计并制作了一种适用于3ω技术的独立探头.提出了利用基于这种独立探头的3ω技术进行固体热导率测量的原理和方法.与传统3ω技术相比,基于独立探头的3ω技术具有探测器使用寿命长、不再对样品表面有光滑要求的优势,并且实现了对样品热导率的无损测量.对几种标准样品的热导率进行测试的结果表明,基于独立探头的3ω技术在表征块状固体及...     

TiO2/ZnO纳米薄膜界面热导率的分子动力学模拟

采用平衡分子动力学方法及Buckingham势研究了金红石型TiO₂薄膜与闪锌矿型ZnO薄膜构筑的纳米薄膜界面沿晶面[0001](z轴方向)的热导率.通过优化分子模拟初始条件中的截断半径r_c和时间步后,计算并分析了平衡温度、薄膜厚度、薄膜截面大小对热导率的影响.研究表明,薄膜热导率受薄膜温度和厚度的影响很大,当温度由300 K升高600 K时,薄膜的热导率逐渐减小;当薄膜厚度由1.8 nm增大到5 nm时,热导率会逐渐增大;并在此基础 关键词： 热导率 分子动力学 2/ZnO纳米薄膜界面')" href="#">TiO₂/ZnO纳米薄膜界面 数值模拟     

退火处理对磁控溅射制备LaCoO_3薄膜性能的影响

采用磁控溅射法在硅衬底上制备了LaCoO_3(LCO)薄膜,研究了退火温度对LCO薄膜组织结构、表面形貌及热电特性的影响,并利用X射线衍射仪、原子力显微镜(AFM)、激光导热仪等对LCO薄膜的晶体结构、表面形貌、热扩散系数等进行测量与表征.结果表明:退火温度对LCO薄膜的结晶度、晶粒尺寸和薄膜表面形貌都有较大影响;退火前后LCO薄膜的热扩散系数都随温度的升高而减小,且变化速率逐渐减缓; LCO薄膜的热扩散系数随退化温度的升高先增大后减小.LCO薄膜经过700℃退火后得到最佳的综合性能,其薄膜表面致密、平整,结晶质量最好,热扩散系数最小,热电性能最好.     

表面粗糙度对薄膜面向热导率的影响研究

通过求解声子辐射输运方程(EPRT)计算得到了薄膜的面向晶格热导率.在薄膜界面采用与声子波长相关的镜反射率模型,考虑了薄膜的厚度、温度和表面粗糙度等对其热导率的影响.结果表明,界面粗糙度对薄膜热导率的影响很大.减小界面粗糙度,会使得薄膜热导率大大增加.另外,薄膜厚度减小使得热导率峰值对应的温度增加.     

La<Subscript>9.33</Subscript>Si<Subscript>6</Subscript>O<Subscript>26</Subscript> electrolyte thin films for IT-SOFC application deposited by a HIPIMS/DC hybrid magnetron sputtering process

Apatite-type La_9.33Si₆O₂₆ thin films were elaborated by co-sputtering of two metallic La and Si targets powered, respectively, by high power impulse magnetron sputtering and direct current sources, in pure Ar atmosphere, followed by a subsequent high temperature oxidation treatment in air. The structural and chemical features of these films have been assessed by X-ray diffraction and scanning electron microscopy (SEM). The film with near lanthanum silicate La/Si atomic ratio deposited on a porous Ni-YSZ cermet substrates was initially amorphous. After thermal oxidation at 1,173 K in air, the coating crystallised under the expected apatite structure. SEM observation revealed that both film compactness and thickness increased after thermal oxidation. The conductivity evolution with temperature of the pure apatite-like lanthanum silicate coatings, as measured by complex impedance spectroscopy, showed that the activation energy of is quite low compared to the literature data.     

Enhancing the thermal conductivity of polymer-assisted deposited Al2O3 film by nitrogen doping

<正>Polymer-assisted deposition technique has been used to deposit Al₂O₃ and N-doped Al₂O₃（AlON） thin films on Si（100） substrates.The chemical compositions,crystallinity,and thermal conductivity of the as-grown films have been characterized by X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）,X-ray diffraction（XRD）,and 3-omega method,respectively. Amorphous and polycrystalline Al₂O₃ and AlON thin films have been formed at 700℃and 1000℃.The thermal conductivity results indicated that the effect of nitrogen doping on the thermal conductivity is determined by the competition of the increase of Al-N bonding and the suppression of crystallinity.A 67%enhancement in thermal conductivity has been achieved for the samples grown at 700℃,demonstrating that the nitrogen doping is an effective way to improve the thermal performance of polymer-assisted-deposited Al₂O₃ thin films at a relatively low growth temperature.     

Si衬底GaN基LED的结温特性

结温是发光二极管的重要参数之一,它对器件的内量子效率、输出功率、可靠性及LED的其他一些性能有很大的影响。首次报道Si衬底GaN基LED的结温特性。利用正向压降法测量Si衬底上GaN基LED的结温,通过与蓝宝石衬底上GaNLED的结温比较,发现Si衬底GaNLED有更低的结温,原因归结为Si有更好的导热性。同时也表明:用Si作GaNLED的衬底在大功率LED方面具有更大的应用潜力。     

应力对石墨烯热输运性质影响的分子动力学模拟

本文建立了低维薄膜材料导热模型,运用非平衡分子动力学模拟的方法,利用lanmmps软件对单层石墨烯纳米带的导热特性进行仿真分析,根据Fourier定律计算热导率,再对石墨烯纳米带的原子施加一定耦合应力场,把应力耦合作用下的石墨烯热导率与正常的石墨烯纳米带进行了对比研究,模拟数据结果表明:在石墨烯纳米带上施加耦合应力时,会导致石墨烯纳米带热导率升高,且随应力增加而增大,模拟范围内热导率升高2.61倍,并且应力方向会对热导率变化产生一定影响,这个研究为纳米尺度上石墨烯相关研究和进一步提升热导率提供了新思路.     

用激光分子束外延在Si衬底上外延生长高质量的TiN薄膜

采用激光分子束外延技术,利用两步法,在Si单晶衬底上成功地外延生长出TiN薄膜材料.原子力显微镜分析结果显示, TiN薄膜材料表面光滑,在10 μm×10 μm范围内,均方根粗糙度为0842nm.霍耳效应测量结果显示,TiN薄膜在室温条件下的电阻率为36×10^-5Ω·cm,迁移率达到5830 cm²/V·S,表明TiN薄膜材料是一种优良的电极材料.X射线θ—2θ扫描结果和很高的迁移率均表明,高质量的TiN薄膜材料被外延在Si衬底 关键词： 激光分子束外延 TiN单晶薄膜 外延生长     

金属有机物化学气相沉积生长GaN薄膜的室温热电特性研究

采用金属有机物化学气相沉积技术生长了不同掺杂浓度的GaN薄膜, 并且通过霍尔效应测试和塞贝克效应测试, 表征了室温下GaN薄膜的载流子浓度、迁移率和塞贝克系数. 在实验测试的基础上, 计算了GaN薄膜的热电功率因子, 并且结合理论热导率确定了室温条件下GaN薄膜的热电优值(ZT). 研究结果表明: GaN薄膜的迁移率随着载流子浓度的增加而减小, 电导率随着载流子浓度的增加而增加; GaN 薄膜材料的塞贝克系数随载流子浓度的增加而降低, 其数量级在100–500 μV/K范围内; GaN薄膜材料在载流子浓度为1.60×10¹⁸ cm^-3时, 热电功率因子出现极大值4.72×10^-4 W/mK²; 由于Si杂质浓度的增加, 增强了GaN薄膜中的声子散射, 使得GaN薄膜的热导率随着载流子浓度的增加而降低. GaN薄膜的载流子浓度为1.60×10¹⁸ cm^-3时, 室温ZT达到极大值0.0025.     

Three-dimensional analyses of photo-modulated reflectivity for transparent film/opaque substrate structures

For a structure consisting of a transparent film deposited on an opaque substrate radiated by a modulated focused laser beam, a 3-D model is established to calculate the temperature distributions. Then based on 3-D thermoelastic displacements and dielectric constants depended on the temperature of the bilayer structure, the photo-modulated reflectivity of the structure is calculated by using FEM method. As an example, the modulated reflectance variations with the modulation frequency of the optical beam and the thermal conductivity of the film in ZnO/Si bilayer structures are also obtained.