微尺度薄膜热导率测试技术

随着器件尺寸进入到微／纳米尺度，其热物性与体材料相比有了很大差别。在器件热性能和可靠性研究过程中，对热导率的测量成为了关键技术之一。本文概述了SiO2、SiNx、金刚石等薄膜在微小型器件中的用途及其热导率测试技术的发展，并进一步总结了用于薄膜热导率测量的常用方法。     

双波长飞秒激光抽运-探测法测量纳米薄膜及界面热物性

建立了用来研究时间空间微尺度传热现象的双波长飞秒激光抽运-探测热反射系统,与常规的单波长飞秒激光抽运探测系统相比,双波长的光路设计方案可以大幅提高信噪比,并使共线的聚焦光路更易实现,从而提高测量的准确度。建立了与实验测量过程相应的多层膜热传导模型,并实现了多参数拟合,可用于对体材料或薄膜材料的热导率以及界面热导的准确测量。本文采用这种先进的测量方法测量了SiO₂纳米薄膜的热导率及其与Si之间的界面热导。     

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。     

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.     

铝纳米薄膜热导率的实验研究

金属纳米薄膜作为一种典型的纳米材料,已广泛应用于信息技术领域。研究表明,随着金属薄膜特征尺寸的减小,金属薄膜体现出与常规不同的热输运特性。本文采用飞秒激光泵浦-探测实验方法,结合抛物两步模型和修正的抛物两步模型,对铝纳米薄膜热导率进行研究。结果表明,考虑了声子热导率修正的抛物两步模型比抛物两步模型更能准确描述热反射信号。拟合得到铝膜热导率分别为98 W·m~(-1)·K~(-1)和94 W.m~(-1)·K~(-1),小于铝的体材料热导率,铝纳米薄膜热导率具有尺度效应,同时拟合得到声子热导率为2.8 W·m~(-1)·K~(-1),提出一种利用飞秒激光泵浦-探测测量声子热导率的方法。     

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。     

红外热成像法测量薄膜热物理参数

研究了一种利用稳态红外热成像法实现自悬浮薄膜面内热导率测量的方法。从一维热传导方程出发,建立了稳态时薄膜表面温度分布的理论模型,利用稳态理论模型,只需测量薄膜边缘温度及厚度,便可同时得到面内热导率、发射率及热流,无需测量薄膜对可见光的吸收率。仿真表明,当薄膜的温升不超过5K时,可以保证拟合得到的面内热导率与理论值的误差低于3%,薄膜样品x方向的最小尺寸为6mm。对厚度为900nm的自悬浮聚酰亚胺薄膜进行实验测量,拟合得到的面内热导率为2.04W/mK、红外发射率为0.92、x=0处的热流为1.77×10~4W/m~2。实验结果与查阅文献的测量值一致,证明方法可以用来测量自悬浮薄膜的面内热导率。     

Al/GaN/Al_2O_3微纳米多层结构界面热阻实验重构

通过GaN基微纳米器件中纳米尺度界面的热输运成为微系统热管理和热设计的热点和难点,而通过GaN/Al_2 O_3之间界面热阻尚未测试。首先采用双波长TDTR方法测量了Al膜与GaN薄膜之间的界面热阻,然后借助热阻抗网络和参数敏感性分析,利用宽频3ω法对Al/GaN/Al_2 O_3多层薄膜结构内部界面热阻进行实验重构。两种方法测量的GaN/Al_2 O_3之间界面热阻量级相同,相互验证了测试结果的合理性。两种方法结合可实现微纳米多层结构多个热物性参数的精细描述。     

氮化硅纳米薄膜非平衡热导率实验研究

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。根据3ω方法测试原理,搭建了薄膜导热系数测试平台,并且分别测试低频率段和高频段薄膜与基底的温升以及薄膜热导率。测试结果表明:Si3N4薄膜的热导率随温度的升高而增大;高频段下,热导率受频率影响大,误差大;在低频段下薄膜热导率与频率变化基本无关;基于电子与声子的局部热平衡运输方程假设,S i3N4薄膜的热导率具有极度非平衡性;通过比较电阻、热导率与温度的关系可以看出加热器的尺寸大小会影响薄膜的热导率,最佳加热器的宽度选用20μm左右。     

微纳米电子器件散热过程中的物理问题

微纳米电子器件的散热问题是目前制约半导体工业发展的重要瓶颈.将电子器件工作时产生的热量传输到封装外壳后再耗散到环境中去需要好几个步骤,每个步骤需要不同的方法,其中有些步骤涉及到了固体中的界面热传导问题和高性能导热材料.文章先介绍了近期关于微纳米尺度器件散热问题中碰到的热传导问题在理论和实验两方面的研究进展.在热传导理论和计算方法方面,作者讨论了傅里叶定律在微纳米尺度的适用性,介绍了玻尔兹曼方程、分子动力学模拟和格林函数方法.在热传导实验方面,介绍了用扫描热显微镜测量样品表面温度和用超快激光反射法测量薄膜材料的热导率及其界面热阻.然后介绍了界面热传导问题,包括界面热阻的计算以及电子—声子相互作用对界面热阻的影响.最后作者介绍了关于高性能导热材料方面的最新进展,包括碳基导热材料、晶格结构类似于石墨烯的氮化硼材料、高分子有机材料以及界面热阻材料.     

在预刻蚀的衬底上通过分子束外延直接生长出拓扑绝缘体薄膜的微器件

在利用光刻将拓扑绝缘体外延薄膜加工成微米尺寸结构的过程中,所用的各种化学物质会导致薄膜质量的下降.在实验中,通过在钛酸锶衬底上预先光刻出Hall bar形状的凸平台并以此为模板进行拓扑绝缘体(Bi x Sb1-x)2Te3薄膜的分子束外延生长,直接获得了薄膜的Hall bar微器件,从而避免了光刻过程对材料质量的影响.原子力显微镜和输运测量结果均显示该微器件保持了(Bi x Sb1-x)2Te3外延薄膜原有的性质.这种新的微器件制备方法有助于在拓扑绝缘体中实现各种新奇的量子效应,并可推广于其他外延生长的低维系统.     

离散发热器件基于(火积)耗散率最小和最高温度最小的构形优化比较

建立了导热基座上圆柱体离散发热器件的三维湍流散热模型,基于构形理论,考虑空气变物性及可压缩性和黏性耗散,研究了器件材料的热导率、热源强度和流体流速对器件最高温度、基于(火积)耗散定义的当量热阻和平均Nu数的影响.结果表明:在总发热功率一定的条件下,以器件最高温度和当量热阻为性能指标进行热设计,均存在最优热源强度分布使得散热性能最优.当各热源强度相同且热源热导率小于基座热导率时,提高热源热导率可明显改善散热性能;将热源热导率沿流动方向从低到高布置可降低器件最高温度,而将热源热导率均匀布置可使当量热阻最小.所得结果可为实际热设计中不同材质和不同发热率的电子器件最优布置提供理论支撑.     

基于表面热透镜的薄膜弱吸收测量的调制频率研究

激励光辐照薄膜的表面热透镜效应中,调制频率的大小影响样品内热波的热扩散深度。通过频率控制热波扩散深度可以探测不同薄膜层面的吸收和热缺陷分布。理论分析了不同薄膜厚度下调制频率对热扩散深度的影响。结果表明,薄膜的热导率越小、膜厚越厚,基底中的热扩散深度就越浅,不同材料的基底对吸收测量带来的影响就越小;在膜厚一定的情况下,调制频率越高,基底中的热扩散深度越浅,不同基底样品的光热信号将趋于相等。     

氢化非晶硅薄膜的热导率研究

采用铂电极为加热电阻,研究了厚度为300—370nm等离子体化学气相沉积(PECVD)工艺制备的氢化非晶硅(a-Si：H)薄膜的热导率随衬底温度的变化规律.用光谱式椭偏仪拟合测量薄膜的厚度,得到了沉积速率随衬底温度变化规律,傅里叶红外(FTIR)表征了在KBr晶片衬底上制备的a-Si：H薄膜的红外光谱特性,SiH原子团键合模的震动对热量的吸收降低了薄膜热导率.从动力学角度分析了薄膜热导率随平均温度升高而增大的原因,并比较了声子传播和自由电子移动在a-Si：H薄膜热导率变化上的作用差异. 关键词： 非晶硅 热导率 薄膜 热能     

基于拉曼热测量技术的铜基复合物法兰GaN基晶体管的热阻分析

采用拉曼热测量技术结合有限元热仿真模型,分析比较新型铜/石墨复合物法兰封装与传统铜钼法兰封装的GaN器件的结温与热阻,发现前者的整体热阻比铜钼法兰器件的整体热阻低18.7%,器件内部各层材料的温度分布显示铜/石墨复合物法兰在器件中的热阻占比相比铜钼法兰在器件中的热阻占比低13%,这证明使用高热导率铜/石墨复合物法兰封装提高GaN器件热扩散性能的有效性.通过对两种GaN器件热阻占比的测量与分析,发现除了封装法兰以外,热阻占比最高的是GaN外延与衬底材料之间的界面热阻,降低界面热阻是进一步提高器件热性能的关键.同时,详细阐述了使用拉曼光热技术测量GaN器件结温和热阻的原理和过程,展示了拉曼光热技术作为一种GaN器件热特性表征方法的有效性.     

原位测量固体材料热导率的改进热探针方法

热导率是一个重要的热特性参数,它的测量方法包括稳态法和瞬态法。然而,各测量方法由于接触界面均存在非完美热接触,导致接触热阻无法忽略,进而降低热导率测量的准确性。于是,本研究提出了一种改进的热探针方法,即原位浇筑单针法,来降低接触热阻的影响。同时我们还采用了另外四种常用的热导率测量方法测量六种材料的热导率。并且,为了研究接触热阻对热导率测量的影响,我们采用了涂抹导热硅脂的双针法和单针法测量材料热导率。研究表明,原位浇筑单针法的测量结果与其它四种方法热导率的测量结果相一致,并且,原位浇筑单针法可以有效地减少接触热阻,从而提高热导率测量的准确度。     

碳纤维与热沉间接触热阻随温度变化的实验研究

由于微纳米材料特征尺寸小,难以测量其与热沉间的接触热阻。本文利用拉曼光谱测量不同温度下单根PAN基碳纤维的热导率及其与导电银胶、焊锡和硅油间的接触热阻。结果表明,在实验温度范围内其热导率随温度的降低而增大;接触热阻随温度的变化规律与接触物质有关。     

固态金属中声子热传递的分子动力学模拟研究

固态金属中的热传递是声子和自由电子共同作用的结果。自由电子引起的热导率可以通过电导率,利用Wiedemann-Franz定律得到,声子引起的热导率目前仍然不能进行实验测量,只能借助其他方法来研究。本文采用非平衡分子动力学(NEMD)方法,用镶嵌原子方法(EAM)势能模型,模拟计算了不同厚度(1.760-10.56nm)金属镍薄膜中由于声子-声子作用引起的热导率。然后根据纳米厚度金属薄膜的热导率借助关联式推到宏观尺度下由于声子-声子作用引起的热导率。结果表明,对于纳米厚度金属薄膜,由于声子-声子作用引起的热导率比块体金属镍的热导率小一个数量级;薄膜厚度越小,声子-声子作用引起的热导率越小;对于块体金属镍,由于声子-声子作用引起的热导率约占其总热导率的33.0%左右。     

高温还原氧化石墨烯膜及其导热性能

采用氧化还原法制备了结构致密且具有较高柔韧性的石墨烯薄膜,探究了薄膜经过较高退火温度还原后结构变化,并通过T型稳态法测量了其热导率,研究了还原温度对薄膜热导率和力学性能的影响。结果表明,高温还原有助于氧化石墨烯中含氧官能团的去除和sp2杂化碳晶格的恢复,并且温度越高还原效果越好。当还原温度高达2800℃时,在200~350 K温度范围内石墨烯膜的热导率在336.9~436 W·m^-1·K^-1之间,伴随着温度的升高,热导率有先增大后减小的趋势。     

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.