二维材料界面热阻的研究与调控开题报告终结版

TONGJI UNIVERSITY学术型硕士研究生学位论文选题报告及工作计划 课 题 名 称 二维材料界面热阻的研究与调控 学 号 研 究 生 专 业 凝聚态物理 所 在 院 系 物理科学与工程 导 师 副 导 师 选 题 时 间 2016 年 11 月 21 日同济大学研究生院年 月 日1研究问题 1）在预研究的基础上提出应用研究（设计）中的科学问题.2）课题来源、选题依据和背景情况3）课题的研究目标以及理论意义和实际应用价值1）在预研究的基础上提出应用研究（设计）中的科学问题. 随着科学技术的不断革新进步，电子产品逐渐成为我们日常生活必不可少的一部分，随着电子产品的轻便化和小型化，对电子元器件的散热问题提出越来越高的要求，怎么能提高散热？热量在微纳米尺度的二维材料是如何传递？2）课题来源、选题依据和背景情况在这个信息化的时代，人们对电子产品的小巧轻便提出越来越高的要求，然而微纳米材料的元器件散热问题一直制约半导体工业发展。所以寻找高热导材料，了解微纳米二维材料间传热机制，提高散热是本课题研究的重点。我们知道集成电路的散热分为二个过程，第一是单个晶体管产生热量扩散到封装外壳，第二是由封装外壳经过多种介质扩散到环境中。这其中最重要的一个步骤就是各介质之间的界面热传导问题。这也就是我的课题要研究的问题，就是研究不同材料间界面热导问题，如目前研究最热的材料氮化硼与石墨烯。我采用的测量方法是使用易于上手操作的方法。3）课题的研究目标以及理论意义和实际应用价值本课题研究目标是研究二维材料间热量传导与调控，以提高微纳米材料的散热问题。本课题理论意义是用3w方法研究二维材料在法线方向如何传导以及不同界面对界面热阻的大小的影响。本课题的实际应用价值是微纳米元器件散热问题一直阻碍电子工业的进一步发展，寻找高热导材料、提高二维材料界面散热与电子器件未来发展关系密切，具有广阔应用前景。2文献综述（文献综述不得少于2000字）1）国内外在该研究方向的研究现状及发展动态2）研究问题在本研究领域应用上的地位与价值 1）国内外在该研究方向的研究现状及发展动态在这个电子信息化的时代，人们对电子产品的小巧轻便提出越来越高的要求，然而微纳米材料的元器件散热问题一直制约半导体工业发展。所以寻找高热导材料，了解微纳米二维材料间传热机制，是海内外科研工作者共同的追求。我们知道集成电路的散热分为二个过程，第一个过程是单个晶体管产生热量扩散到封装外壳，第二个过程是由封装外壳经过多种介质扩散到环境中。这其中最重要的一个步骤就是各介质之间的界面热传导问题。这也就是我的课题要研究的问题，就是研究不同材料间界面热导问题，如目前研究最热的材料氮化硼与石墨烯。在2013年王蕾在科学杂志发表了一篇关于如何转移三明治结构二维材料的方法（氮化硼-石墨烯-氮化硼），由于我要研究的是关于二维材料薄膜之间界面热阻的研究与调控，所以在我制备不同薄膜组合的样品就需要用到王蕾的这种制备样品的方法。首先是在硅片上剥离寻找符合要求的氮化硼石墨烯样品，接着用PPC（poly propylene carbonate聚碳酸亚丙酯）旋在氮化硼样品表面，用PDMS将PPC连同氮化硼一块粘下来，置于玻璃片一端，接着讲石墨烯样品放在显微镜载玻台上，使用转移平台借助显微镜将氮化硼与石墨烯结合，由于氮化硼对石墨烯的粘力大于硅片对石墨烯的粘力所以氮化硼会将石墨烯吸在玻璃片下方，接着用另一块氮化硼样品放在载玻台上，用同样的步骤将氮化硼石墨烯结构转到另一块氮化硼上。我采用的测量方法是使用易于上手操作的方法。这种方法是使用单独元件同时作为加热器与温度传感器，根据加热电阻的频域特性可知基底或待测薄膜热导率等热物性。法测热导率，都是在样品上制备一定形状厚度的金属膜，通入交流电，金属膜有内阻就会产生的温度变化，而待测样品电阻与温度变化是线性变化，故金属膜电阻变化也是以的频率变化。所以最终金属膜在频率为交流电流与频率为的电阻变化共同作用会产生频率为的电压信号，电压信号可用锁相放大器提取出。因这个三倍频信号只与热作用有关，通过测量的电压信号，再经过一些理论近似和推理得出电压三次谐波信号与待测热导率关系即可求得待测样品热导率。方法是目前来说测量块体材料、薄膜热导率较有效的方法，但这样方法会把样品理想化。例如，从上述文献中我们可知，基本不考虑加热膜对实验结果产生的影响。而实际上，加热膜本身具有一定热容，当通入交流电流进行加热时，金属膜会吸收部分热量。高温下金属膜与样品接触热阻很小，可忽略不计；低温下，金属膜与样品的接触热阻随温度降低而升高，而且加热膜自热在低温环境下影响也较大。在方法理论推导中，是忽略这部分热量的。也就是说，在高温情况下，理论推导基本与实际热量传导一致；但在低温情况下，加热膜所产生的温度梯度是不可以忽略的，理论推导就有一定误差。目前关于低温系统用方法测量样品热导率的文章很少，我们就这一研究空缺进行一些测量。 以前技术不发达，三倍频电压信号很小为一倍频电压信号的千分之一左，无法将一倍频电压信号去除。直到锁相放大技术的发展，才得以将三倍频电压信号提取出来，方法测量材料热物性也得到了进一步发展。Holland等通过理论计算发现线状交流加热器产生的三倍频电压信号只与基底热物性有关，与电学性质无关。Cahill对方法测量块材热导率进行说明及推广。指出理论上线性加热源产生温度梯度与频率关系曲线中可知道块材样品热导率。Lee跟Cahill共同提出求差法，可测量基体表面单层薄膜热导率。当厚度大于100nm时，二氧化硅热导率基本不随厚度改变；厚度小于50nm时，热导率随厚度增大而增大。随后，后人对方法进一步研究后发现，利用此方法可同时测量薄膜法向、界面热导率。Borca-Tasciuc等使用不同宽度加热膜测量晶体各向异性的热导率；利用归一化方法，针对下表面绝缘、有限厚度等情况，给出了用斜率-法测量材料热物性的适用条件。当加热金属膜宽度远大于薄膜厚度时，热量经过薄膜时可认为是一维传导，测量薄膜的热导率基本为薄膜法向热导率；而当金属加热膜宽度较窄时，法向传导、面内热导率都对测量结果产生影响，测量结果是各种热物性的综合，所测热导率有一定误差。以上所述文献都是传统测量薄膜热导率的方法，频率所选取范围基本在几千赫兹以内。而实际上，加宽频率测试选取范围，不但能提高单层薄膜法向空间分辨率，还能测量多层膜热物性。除了以上所述测量块材、薄膜热导率内容，Talor 等把推荐为测量微孔热障涂层三种有效方法之一。目前，该方法在丝状材料、纳米孔隙新型材料或涂层、激光晶体和液体的热性能表征等方面有了应用。2） 研究问题在本研究领域应用上的地位与价值 在我们日常生活中，我们已经离不开热与电，电能的利用与改进远远超过热能的利用与改进，随着科技的崛起，热能的利用与改进成为科学研究的必经之路。在微纳米尺度下材料的热扩散率、热导率、比热容等参数的表征和测量是研究微纳米尺度声子运动与缺陷、热输运等的重要手段。 随着二维材料薄膜样品厚度的改变，其热导率也发生明显改变。材料热导率的探究涉及块材、基体表面薄膜材料等，而应用于测量这些材料热导率方法也有很多，诸如热桥法、E-Beam法和法。法测量主要研究的是对块材、单层薄膜热导率，且不考虑单层膜之间的接触热阻。但对于多层膜结构，层间接触热阻对结果影响就会较大，热流的传导就会变得很复杂，所以很少有人研究多层膜热导率。而我们研究的多层膜热导率的变化，是对测量方法的进一步了解与掌握。附：参考文献序号文献目录（作者、题目、刊物名、出版时间、页次）1L. Wang et al. Science2013：342 614 2Sullivan P F,Seidel G.Steady-state ,ac-temperature calorimetry .Physical Review,1968:6796853Cahill D G,Pohl R O.Thermal conductivity of amorphous solids above the plateau.Physical Review B,1987:40674073 4Cahill D G.Thermal conductivity measurement from 30 to 750K:The method.Review of Scientific Instruments,1990:8028085Lee S M,Cahill D G.Heat transport in thin dielectric films.Journal of Applied Physics,1997:259025956Borca-Tasiuc D A,Chen G.Anisotropic termal properties of nanochanneled alumina templates.Journal of Applied Physics,2005:303130397Borca-Tasciuc T,Liu W L,Chen G,et al.Anisotropic thermal conductivity of Si/Ge quantum dots superlattice,ASME HTD,2000:3813848Ahmed S,Liske R,Wunderer T,et al.Extending the method to the MHz range for thermal conductivity measurements of diamond thin films.Diamond and Related Materials,2006:389393 9Olson B W,Graham S,Chen K.A practical extension of the method to multiplayer structures.Review of Scientific Instruments,2005:1610Borca-Tasiuc T,Kumar A R,Chen G.Data reduction in method for thin film thermal conductivity determination.Review of Scientific Instruments,2001:2139214711Jacquot A,Lenoir B,Dauscher A.Numerical simulation of the method for measuring the thermal conductivity.Journal of Applied Physics,2002:4733473812Talor R E,Wang X,Xu X.Thermophysics properties of thermal barrier coatings.Surface and Coating Technology,999:899513Choi T Y,Poulikakos D.Measurement of the thermal conductivity of individual carbon nanotubes by the four-point three- method.Nano letters,2006:1589159314Choi T Y,Poulikakos D.Measurement of the thermal conductivity of individual multi-walled carbon nanotubes by the method .Applied Physics Letters,2005:01310815Dames C,Chen G.and methods for measurements of thermal properties . Review of Scientific Instruments,2005:12490216Lu L,Yi W,Zhang D L.method for specific heat and thermal conductivity measurements.Review of Scientific Instruments,2001:2996300317Yi W,Lu L,Zhang D L,et al.Linear specific heat of carbon nanotubes.Physical Review B,1999:9015901818Borca-Tasiuc D A,Chen G.Anisotropic thermal properties of nanochanneled alumina templates.Journal of Applied Physics,2005:3031303919Tsui B Y,Yang C C,Fang K L.Anisotropic thermal conductivity of nanoporous silica film.IEEE Transactions on Electron Devices,2004:2027 20Harrisa K D,Vicka D,Gonzalezb E G.Porous thin films for thermal barrier coating.Surface and Coatings Technology,2001:18519121Cahill D G,Lee S M.Thermal conductivity of k-Al2O3 and a-Al2O3 wear-resistant coatings.Journal of Applied Physics,1998:5783578622Lee S M,Kwun S.Digital frequency tripling circuit for third harmonic detection by lock in amplifiers.Review of Scientific Instruments,1994:67167323王照亮，唐大伟.各向异性激光晶体KTP导热系数测量.强激光与粒子束，2006:1071107524Chen F,Shulman J,Chu C W,Thermal conductivity measurement under hydro-static pressure using the method.Review of Scientific Instruments,2004:4578458425Jung D H,Bae D J,Moon I K.Fully automated dynamic calorimeter.Measurement Science and Technology,1992:47548426Birg N O,Nagel S R.Wide-frequency specific heat spectrometer. Review of Scientific Instruments,1987:146414703研究内容明确研究对象、研究内容及工作范围明确研究对象 二维材料法向热导以及各界面热阻研究内容及工作范围1）学会使用电子束曝光、热蒸发、线焊机等基本仪器操作。2）熟练掌握测量热导率的方法。3）用来测块材基底的热导率时，如何选取合适频率范围将误差降到最低。4）学会制作三明治结构样品。5）首先测量氮化硼-石墨烯薄膜样品界面热导。4拟解决的关键技术或问题 明确工作中的关键技术难点，提出解决的方法 难点 1）转移过程容易样品偏离 在用PPC粘取氮化硼向硅片上石墨烯转移过程容易发生移位对不准。2）氮化硼经过PPC转移后颜色和形状会发生一定变化氮化硼由硅片到PPC过程颜色由原来浅绿变为浅黄，由于PPC不可避免发生折叠，导致氮化硼样品形状变化。 3）制备二维三明治结构样品石墨烯不能厚一般为1到3层，氮化硼不能太薄也不能太厚一般10到15nm。 4）制备二维样品层与层之间有气泡、去掉有机杂质残留、防止样品旋胶卷起转移制备样品过程中，氮化硼与石墨烯之间形成部分小气泡。 5）转移完毕后去掉样品表面PPC 制备样品过程用到一种材料PPC（聚碳酸亚丙酯），需要用有毒溶剂氯仿溶解。 解决方法1） 切小PDMS和固定有石墨烯的硅片 由于PDMS不平整导致转移过程有一定倾角而对不准，所以减小PDMS大小可以使 PDMS近似平整。由于有石墨烯硅片没有固定导致转移过程硅片发生位移而偏离， 所以用铜胶固定硅片。 2）寻找参照物来定位样品位置 氮化硼转移前后观察样品周围较大较厚氮化硼参照物，PPC氮化硼样品三四层时就 几乎显微镜看不见，所以氮化硼不能太薄。3）寻找合适的符合转移条件的样品石墨烯和氮化硼样品越大越好最好在40um以上，大的样品转移成功率较高，而且 要在样品上搭30um长3w电极，所以要保证样品重合部分足够大。4）样品300退火处理样品制备完毕后进行退火处理目的有三个，第一去掉样品间气泡；第二，去掉有机残留物；第三，去掉样品与硅片基底的水气使样品更好的贴在硅片表面，防止旋胶过程样片卷起。5）PPC熔点70到90，先加热台110加热样品，使PPC变质与玻璃片分离，之后用有机溶剂丙酮代替氯仿溶解残留的PPC。5研究方法 1）选择科学的研究方法，制订完整的技术路线2）工作方案的可行性分析，预设研究中可能遇到的难点，提出解决的方法1）选择科学的研究方法，制订完整的技术路线 控制变量法 控制变量法是实验物理经常用的一种方法，因为在实验过程中各种因素、条件都有可能对实验结果造成影响。所以为了排除不必要的因素干扰实验就需要控制变量做对照实验，控制某一条件在变，其他条件不变的基础上，看对测量结果的影响。 完整的技术路线（1） 通过机械剥离法，在硅片上获得单层/薄层样品，在光学显微镜下，对样品进行定位，并测量样品的尺寸。（2） 借助PPC将BN转移到石墨烯样品上。（3） 通过EBL和热蒸发，给样品上搭上电极。（4） 借助wire bond和chip carrier给样品连线。（5） 用3W法测量样品热导率。（6） 用origin处理数据，得出结论。2） 工作方案的可行性分析，预设研究中可能遇到的难点，提出解决的方法工作方案的可行性分析我们课题组一直致力于低维材料的热电特性研究，为我们提供了良好的学术交流环境。通过相互交流，自主创新，可以很好的获得实验技术上的突破性进展。我们的实验室购进了一大批高端实验设备(包括扫描电子显微镜，原子力显微镜，热蒸发镀膜机等大型实验仪器)，为上述工作的顺利进行提供了硬件保障。我们课题组十分重视交流合作，有定期的组会，这给我们交流解决工作中遇到的困难提供了方便。 难点 1）转移过程容易样品偏离 在用PPC粘取氮化硼向硅片上石墨烯转移过程容易发生移位对不准。2）氮化硼经过PPC转移后颜色和形状会发生一定变化氮化硼由硅片到PPC过程颜色由原来浅绿变为浅黄，由于PPC不可避免发生折叠，导致氮化硼样品形状变化。 3）制备二维三明治结构样品石墨烯不能厚一般为1到3层，氮化硼不能太薄也不能太厚一般10到15nm。 4）制备二维样品层与层之间有气泡、去掉有机杂质残留、防止样品旋胶卷起 转移制备样品过程中，氮化硼与石墨烯之间形成部分小气泡。 5）转移完毕后去掉样品表面PPC 制备样品过程用到一种材料PPC（聚碳酸亚丙酯），需要用有毒溶剂氯仿溶解。 解决方法 1）切小PDMS和固定有石墨烯的硅片 由于PDMS不平整导致转移过程有一定倾角而对不准，所以减小PDMS大小可以使 PDMS近似平整。由于有石墨烯硅片没有固定导致转移过程硅片发生位移而偏离， 所以用铜胶固定硅片。 2）寻找参照物来定位样品位置 氮化硼转移前后观察样品周围较大较厚氮化硼参照物，PPC氮化硼样品三四层时就 几乎显微镜看不见，所以氮化硼不能太薄。3）寻找合适的符合转移条件的样品石墨烯和氮化硼样品越大越好最好在40um以上，大的样品转移成功率较高，而且 要在样品上搭30um长3w电极，所以要保证样品重合部分足够大。4）样品300退火处理样品制备完毕后进行退火处理目的有三个，第一去掉样品间气泡；第二，去掉有机残留物；第三，去掉样品与硅片基底的水气使样品更好的贴在硅片表面，防止旋胶过程样片卷起。5）PPC熔点70到90，先加热台110加热样品，使PPC变质与玻璃片分离，之后用有机溶剂丙酮代替氯仿溶解残留的PPC。6预期成果和结论 对研究问题的解答进行科学预设，提出预期的成果和结论（1） 薄膜热导率与薄膜厚度有关。（2） 测量多层膜的热导率，研究热量在多层膜中传导过程。7研究基础1）科学评估研究条件和实验条件以及自己的专业基础和导师的专业把控能力2）所需经费，经费来源，开支预算（工程设备、材料须填写名称、规格、数量）1）科学评估研究条件和实验条件以及自己的专业基础和导师的专业把控能力 我们课题组的导师是长期从事热导特性研究，经验丰富并具有海外科研经历的优秀导师团队，能够给我们正确的理论和实验技术指导。们中心的实验室拥有SEM（扫描电子显微镜）、AFM（原子力显微镜）、热蒸发系统（Thermal evaporator）、线焊机（wire-bond）等一系列世界顶尖的精良实验设备，为我们实验的顺利进行提供了保障。2）所需经费，经费来源，开支预算（工程设备、材料须填写名称、规格、数量）所需经费扫描电子显微镜、原子力显微镜、测量仪器等的维修及维护、实验中所必须的耗材、购买样品、热蒸发所需金等。经费来源国家自然科学基金重点项目11334007项目名称：纳米异质结构中的声子输运国家自然科学基金青年项目11304227项目名称： 利用热电桥法研究悬空单层石墨烯的声子热输运性质开支预算 购买材料：硅片、氮化硼材料、PPC、PDMS等 仪器维护：SEM、AFM、Janis等 8工作计划（含实验、实践、写作）序号阶段及内容工作量估