纳米薄膜非平衡热导率的理论与实验研究

论文摘要

在MEMS和微电子器件中,由于加工工艺和材料本身的光、热、声、机、电等特性,各种金属、非金属薄膜被广泛使用。随着科学技术地不断进步以及电子器械的微型化进展,纳米薄膜的传热研究已成为当前科学研究的热点。以往对薄膜材料热传导的研究都是建立在平衡条件基础上的。在实际的纳米薄膜热传导中声子的平均自由程大于薄膜的结构尺寸,这不满足平衡热传导的条件,因此研究薄膜的非平衡热导率有着重要的意义。由于薄膜的非平衡热导率的理论求解过程非常复杂,结果受到的影响因素众多,准确度低。因此本文采用实验的方法对纳米薄膜的热导率进行测量。比较了四种常用薄膜热导率测量方法的优缺点,由于3ω是瞬态电加热法,测量值也是瞬间完成而不是一个持久稳态的过程,因此可用来测量纳米薄膜的非平衡热导率。为确保实验样品的质量,用PECVD方法制备了SiO2薄膜和Si3 N 4薄膜。首先测量SiO2薄膜的热导率,对自行搭建的3ω实验台进行了检测。之后用3ω实验方法对Si3 N 4纳米薄膜进行了热导率的测量,分别测量了不同频率下、不同温度下Si3 N 4薄膜的热导率,以及不同加热器尺寸的加热膜的热导率。最后确定了测量Si3 N 4薄膜热导率的最佳微加热器尺寸及适合频率段。理论和实验结果表明,薄膜的热导率具有极度非平衡性,薄膜热导率的非平衡性与声子的平均自由程有重要联系。Si3 N 4薄膜的热导率随温度的升高而增大,微加热器的尺寸在20μm和24μm时,实验结果最佳,同时样品的微结构品质及微加热器的材质对实验结果有重要影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 纳米薄膜综述
• 1.2.1 纳米薄膜分类
• 1.2.2 纳米薄膜的制备方法
• 1.2.3 纳米薄膜的特性及应用
• 1.3 国内外研究进展
• 1.3.1 薄膜热传导
• 1.3.2 非平衡态薄膜热传导
• 1.4 课题研究内容及意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 课题意义
• 2 纳米薄膜结构的非平衡热传导理论
• 2.1 纳米粒子周围的非平衡热传导
• 2.1.1 纳米粒子热通量
• 2.1.2 纳米粒子等效热导率
• 2.2 声子在纳米结构中的传输
• 2.2.1 界面的声子非平衡运输
• 2.2.2 纳米薄膜的非平衡传热
• 2.3 本章小结
• 3 热导率实验方案
• 3.1 实验方法选择
• 3.1.1 稳态光加热法
• 3.1.2 瞬态光加热法
• 3.1.3 稳态电加热法
• 3.1.4 瞬态电加热法
• 3.2 3ω方法实验原理
• 3.3 样品标准及加热器的选择
• 3.3.1 实验样品的选择标准
• 3.3.2 微加热器材料的选择
• 3.3.3 微加热器的制作
• 3.5 实验台搭建要求
• 3.6 实验台的标定
• 2 薄膜制备'>3.6.1 SiO₂薄膜制备
• 3.6.2 测试
• 3.7 本章小结
• 3N₄薄膜非平衡热导率实验'>4 Si₃N₄薄膜非平衡热导率实验
• 4.1 选材原因
• 3N₄ 薄膜性能及应用'>4.2 Si₃N₄薄膜性能及应用
• 4.2.1 光学性能及应用
• 4.2.2 钝化性能及应用
• 4.2.3 其它性能及应用
• 3N₄ 薄膜制备'>4.3 Si₃N₄薄膜制备
• 4.3.1 实验设备
• 4.3.2 制备过程
• 4.3.3 性能检测
• 4.4 实验样品加工
• 4.5 实验
• 4.5.1 实验步骤
• 4.5.2 低频段实验
• 4.5.3 高频段实验
• 4.6 本章小结
• 5. 结果分析
• 5.1 导热系数与温度的关系
• 5.2 热导率与频率的关系
• 5.3 热导率与加热器尺寸关系
• 5.3.1 无限窄线热源加热半无限大样品
• 5.3.2 有限宽线热源加热半无限大样品
• 5.4 热导率与声子平均自由程的关系
• 5.5 误差分析
• 5.5.1 随机误差
• 5.5.2 系统误差
• 5.5.3 黑体辐射对结果影响
• 5.5.4 热导率的尺寸效应影响
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文