金纳米薄膜导电和导热性质的实验研究

由于尺寸效应和晶界效应的影响,纳米薄膜在导电和导热方面呈现出与体材料不同的性质.本文实验研究了不同厚度(20～54 nm)金薄膜在不同温度(100～340 K)的导电、导热性质.测量结果显示,薄膜的电导率和热导率比体材料小,洛伦兹数比体材料大,Wiedemann-Franz定律不再成立.随着厚度增加,薄膜的电导率,热导率和电阻温度系数都增加.薄膜热导率随温度变化趋势与体材料相反,随着温度升高而升高.电导率随温度变化趋势与体材料相同,随着温度升高而降低;但薄膜没有体材料对温度变化敏感,导致电阻温度系数下降.     

铂薄膜导热特性的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学(NEMD)方法模拟分析了纳米铂(Pt)薄膜的导热性能与脉冲激光作用下的温度响应特性.结果表明,100～500 nm铂薄膜的法向导热系数比体材料值低很多,而且低于其面向导热系数;微米铂薄膜的温度响应时间在纳秒量级;在脉冲加热的初始阶段,有一快速非傅立叶热波沿铂薄膜的厚度方向传递.     

Ag-ZnO纳米复合热电材料的制备及其性能研究

ZnO是一类具有潜力的热电材料, 但其较大声子热导率影响了热电性能的进一步提高. 纳米复合是降低热导率的有效途径. 本文以醋酸盐为前驱体, 溶胶-凝胶法制备了Ag-ZnO纳米复合热电材料. 扫描电镜照片显示ZnO颗粒呈现多孔结构, Ag纳米颗粒分布于ZnO的晶粒之间. Ag-ZnO纳米复合材料的电导率比未复合ZnO材料高出100倍以上, 而热导率是未复合ZnO材料的1/2. 同时, 随着Ag添加量的增加, 赛贝克系数的绝对值逐渐减小. 综合以上原因, 添加7.5%mol Ag的Ag-ZnO纳米复合材料在700 K时的热电优值达到0.062, 是未复合ZnO材料的约25倍. 在ZnO基体中添加导电金属颗粒有利于产生导电逾渗通道, 提高材料体系的电导率, 但同时导致赛贝克系数的绝对值减小. 总热导率的差异来源于声子热导率的差异. 位于ZnO晶界的纳米Ag颗粒, 有利于降低声子热导率. 关键词： 热电材料 ZnO 纳米复合 热导率     

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。     

水基ZnO纳米流体电导和热导性能研究

利用水热法生成了形状规则、粒径均匀的球形ZnO纳米颗粒, 并超声分散于水中, 制备得到稳定的水基ZnO纳米流体. 实验测量水基ZnO纳米流体在体积分数和温度变化时的电导率, 并测试室温下水基ZnO纳米流体在不同体积分数下的热导率. 实验结果表明, ZnO纳米颗粒的添加较大地提高了基液(纯水)的热导率和电导率, 水基ZnO纳米流体的电导率随纳米颗粒体积分数增加呈非线性增加关系, 而电导率随温度变化呈现出拟线性关系; 纳米流体的热导率与纳米颗粒体积分数增加呈近似线性增加关系. 本文在经典Maxwell热导模型和布朗动力学理论的基础上, 同时考虑了吸附层、团聚体和布朗运动等因素对热导率的影响, 提出了热导率修正模型.将修正模型预测值与实验值对比, 结果表明修正模型可以较为准确地计算出纳米流体的热导率. 关键词： 水热法 电导率 热导率 热导模型     

硅纳米薄膜中声子弹道扩散导热的蒙特卡罗模拟

通过建立声子散射概率函数描述声子在输运过程中的散射,提出了一种模拟声子弹道扩散导热的蒙特卡罗方法,并将其应用于硅纳米薄膜中的稳态和瞬态弹道扩散导热过程的研究. 提出的蒙特卡罗方法对边界发射的声子束进行跟踪,根据散射概率函数模拟声子束在传播区域内经历的散射过程,并通过统计声子束的分布得到温度分布. 稳态导热过程的模拟发现,尺寸效应会引起边界温度跳跃,其值随着Knudsen数的增大而增大;计算的硅纳米薄膜的热导率随着厚度的增大而增大,与文献中的实验数据和理论模型相符. 通过瞬态导热过程的模拟得到了纳米薄膜内的温度分布随时间的变化,发现瞬态导热过程中的热波现象与空间尺度相关,材料尺寸越小,弹道输运越强,薄膜中的热波现象也越显著. 关键词： 纳米薄膜 弹道扩散导热 蒙特卡罗模拟 尺寸效应     

La1-xCaxMnO3材料的热导与电导

实验研究了两个典型掺杂的La1-xCaxMnO3(x=0.3和x=0.6)样品的热导率与电导率随温度的变化关系,测量温区为77－300K。样品的热导率与电导率的温度曲率之间有着很大的相似性：在高温部分,两个样品的电导率均随温度降低而下降,热导率也呈现类似的温度关系;在低温部分,两个样品的电导率呈现相反的温度关系,热导率的变化也截然不同。而且,在La1-xCaxMnO3多晶材料中,电导率很小,使得电子直接贡献的热导部分微乎其微。分析指出,La1-xCaxMnO3巨磁阻材料中由Jahn-Teller效应引起的晶格畸变,受到电子状态的直接影响和制约,从而对热导产生不同的作用。     

α-Al_2O_3介孔材料导热特性的模拟

本文针对α-Al2O3有序介孔材料的导热特性开展分子动力学模拟分析.提出了一种保证电中性的孔道结构构造方法;采用逆非平衡分子动力学方法(muller-plathe法),选取Matsui势为作用势,模拟计算了Al2O3介孔晶体材料在不同环境温度下沿孔道轴向方向的热导率;并借助全面实验分析法,设计了模拟条件,以考察孔径和孔隙率对热导率的影响.模拟结果显示:介孔Al2O3热导率先随温度的升高呈上升趋势,并在200—400 K之间取得极值;而后在400—1400 K范围内,热导率随温度的升高几乎呈线性下降.孔隙率一定时,随孔径增大,介孔Al2O3材料比表面积降低,界面散射的抑制作用减弱,使材料热导率略有上升;孔径一定时,随孔隙率上升,孔道壁面声子数减少,材料热导率下降明显;相对于孔径因素,材料孔隙率对声子导热影响更大.     

氩晶体薄膜法向热导率的分子动力学模拟

结合卫星“微型核”的特点，研究电介质薄膜中的导热机理以及薄膜厚度对导热系数的影响.以结构较为简单、具有可靠势能函数，实验数据较为丰富和可靠的氩的(fcc)晶体为模型,采用平衡分子动力学方法(EMD)和各向异性非平衡分子动力学方法(NEMD)计算了氩晶体及其法向薄膜的热导率,并与实验结果进行比较.模拟结果表明，氩晶体纳米薄膜的热导率显著小于对应大体积晶体的实验值，具有明显的尺寸效应.在氩薄膜厚度为2.124—5.310nm的模拟范围内,薄膜的法向热导率随着薄膜厚度的增加而呈近似线性增加. 关键词： 热导率 纳米薄膜 尺寸效应 平衡分子动力学 非平衡分子动力学     

氧化铟锡薄膜的磁感应热声分析

基于优良导体在磁场下的涡流效应理论和固体的热声效应理论,建立了氧化铟锡(ITO)导电薄膜磁-热-声效应的理论模型,推导了导电薄膜热致发声的温度振荡和输出声压表达式。对有基底的ITO导电膜进行了磁场下的热声理论计算和实验测试,结果表明：薄膜的温度振荡值随频率呈上升趋势,与电-热-声模型相比趋势相反;薄膜声压的理论值与实验值在频域内的变化趋势基本吻合,验证了理论模型的正确性。进而,根据磁-热-声的理论模型,分析了线圈相关参数对薄膜声压级的影响,结果表明：薄膜声压级随着线圈匝数的增加而增大,随着薄膜与线圈中心距离的增加而减小,随着线圈半径的增加而减小。文中的研究结果拓展了导电薄膜在扬声器等领域的应用。