ω法测定微纳米材料热物性

1、3法测定微纳米材料热物性张洁娜 SC14013034随着 、电脑等电子产品的微型化，薄膜和纤维等微米、纳米材料的合成、微加工和微分析的开展逐渐受到广泛关注。其中，对微尺度材料热物性的测定是所有相关研究的重要局部。当热载子(电子、声子、光子)的各种特征尺寸变得可以相互比较，或者与器件的特征尺寸相当时，反响物质能量输运规律的物性参数如热导率、比热等会表达出明显的尺度效应和外表效应，如会出现声子边界散射作用等。这就使得纳米材料与其块体材料在热导率、热扩散率和热容方面存在很大差异。因此，准确地测定微尺度材料的热物性不管是对于微电子器件的热管理和热设计，还是对于纳米材料热输运原理的研究都有很大的作用。目

2、前，纳米薄膜导热系数的测量方法有很多种，如Parker的闪光法，Hatta等人的交流量热法，Okuda等的微桥法，热波法，光声法，Kading等人的光热反射法等等。上述方法一般不能直接测试热导率而是直接测量热扩散系数,然后导出热导率,测量结果的准确度与热容的不确定性等有关系。此外,上述方法对于基体外表薄膜热参数的测量限制比较大,对纳米薄膜以及碳纤维(CF)和CNT的热性能表征无能为力。3法是在待测材料外表制备一定尺度和形状的金属膜,同时把该金属膜作为加热器和温度传感器,然后根据热波频率与温度变化的关系求得待测材料的导热系数。其测量原理如下列图所示：对图1中金属膜接线端1和4通频率为 的交流电，

3、该金属膜将以2 的频率加热样品。因为金属的电阻率随温度的升高而增大，因此金属膜的温度变化将带来金属膜阻值的变化，该阻值与金属膜的温度以2的频率变化，频率为2的变化阻值与频率为的电流共同作用产生频率为3的电压。该3 的电压信号只与金属膜的温度变化有关，通过金属膜的2和3端，用锁相放大器将该信号提取出来，通过建立适宜的传热模型，解传热方程可以得到该金属膜的温度变化。1910年，Corbin提到用交流电流在材料中产生的两种频率的电压能对材料的一些物理量进行测量,但是由于由电阻振荡产生的交流电压很微弱,一直难于测量。1966年，Holland1对丝状材料内部交流加热产生的温度波动进行了理论分析,指出可

4、以通过测量加热丝两端的三次谐波电压确定丝状试样的热参数。1968年，Sulllvan2的理论和实验结果说明可以采用交流加热产生的2温度波动信号测量物体的热容,1986年Birge采用此原理测量了玻璃融体的比热。1987年，Birge3又采用沉积在容器底部的金属加热膜在0.01一3000Hz范围内测量了有机液体随加热频率变化的比热。在这一实验过程中，他采用增大测试频率的方法减小了对流作用对测试结果的影响。1989年Cahill4首次系统地提出3 法测试体材料和厚膜的导热系数。从理论和实验两个方面论证了3 的可行性以及3 的使用条件，并阐述了黑体辐射所引起的误差可以忽略2，1000。由图2可知，利

5、用频率与温度振幅变化的关系所得到的斜率与材料的热导率相对应。Cahill提出的3 法需要较复杂的数学处理，数学模型的建立、边界条件确实定、加热频率的选择及数学方程求解中的有效简化，都导致了Cahill提出的3 法主要应用在各向同性，且薄膜的热导率远远低于基底，需要对薄膜基底和基底分别测试一次，然后求解。 图2 频率与温度变化的关系1994年，Lee5通过实验发现，金属膜的热容、长度和宽度等自身因素以及金属膜和测试材料之间的接触热阻等会影响测量时采用的频率范围,使得实际能够采用的交流频率范围减小,根据能量平衡方程得到了实际可行的频率范围。他测试了洁净单晶体KDP和TGS的导热系数和热容。同年，在

6、提出3 法应用于体材料和厚膜的热导率测试后Cahill等6又将其应用于10 薄膜材料的法向热导率的测量。随后许多科研者对3 法在薄膜材料热导率的测量方面进行了大量研究，使其在薄膜材料的测试上应用更为广泛，测试样品的制作与测试方法和Cahill首次提出的相似。1999年，Talor7把3法推荐为测试微孔热障涂层的三种有效方法(其他两种为闪光法和光热偏转法)之一。目前,该方法在CNT等丝状材料，纳米孔隙新型材料或涂层、激光晶体KDP、微纳米尺度薄膜、温度测量和液体的热性能表征等方面逐渐得到应用。Ju8认为频率比较小时加热膜的温度波动由薄膜和衬底的温升两局部组成:高频区域内,温度波动与衬底的作用可以

7、忽略,只与膜的热容和材料导热系数有关。利用低频区域测试的薄膜导热系数,把高频区域的测试结果与热扩散方程的解比照可以确定薄膜的热容。2000年，。Tasciuc9采用宽度分别为2m和30m的金属膜测试了Si/Ge超晶格薄膜的各向异性导热系数;采用归一化方法,针对有限厚度各向异性材料下外表绝热的情况,给出温度波动斜率的分析解;在有限厚度各向异性衬底情况下,给出了斜率法的适用条件;宽度比较大的加热膜的宽度远大于薄膜的厚度,测试信号主要包含薄膜法向的导热信息,宽度比较小的加热膜的宽度与薄膜的厚度相当或小于薄膜厚度,温度波动反映了不同方向的综合导热信息。2001年，Harrison10等利用3方法和Mi

8、rage方法相结合测试了用作热障涂层(TBcs)的多孔薄膜的垂向导温系数。3方法对于衬底外表导温系数比较小的薄膜涂层导温系数的测量更具优势。Tasciu采用有限容积法,综合考虑了加热带的几何形状、试样边界条件(绝热、恒温)以及加热器和试样的热物性,进行温度分布和各个影响因素的数值模拟:在低频率区域,可以忽略加热带热容的影响,因为热渗透深度远大于加热带尺度,加热带处于拟稳态传热状态;在高频区域,温度波动幅度不是加热带导热系数的函数而是加热带热容、几何尺度和频率的函数。2002年，Yamane分别采用溅射、喷涂和蒸发以及化学沉积法在厚度为0.5mm的Si基体,外表加工厚度为100nm,500nm和

9、1000nm的SiO2薄膜。采用微丝网印刷工艺加工宽度为8m、长度为1.4mm、厚度为300nm的铝或铜加热膜,利用3法测试了不同工艺制作的SiO2膜法向的导热系数。采用的频率范围为10200Hz。Moon同时测量了加热膜温度波动的实部和虚局部量,分别确定了Si薄膜法向的导热系数,测试结果比较接近。Jacquot等采用3法测试了体材料和薄膜的导热系数并利用有限容积法模拟了试样内部的导热过程:四电极加热膜比两电极加热膜测试误差小;衬底为绝热或恒温边界条件在整个测试频率范围内对相位计算结果影响大,频率小于1Hz对温度波动的计算影响大;在高频和低频条件下加热膜热容对计算结果的影响不同。2003年，R

10、audzis等把测试范围扩大到5Hz200KHz,由单个试样的测试信号可以同时确定膜的厚度和导热系数、衬底导热系数和加热膜热容四个参数:由于热渗透深度与试样整体厚度的关系、衬底边界的影响、薄层导热系数与衬底材料的相对大小使得温度和频率曲线呈现出不同的变化特征。2004年，Tsui通过实验发现，对于纳米孔Si膜,由于孔隙的尺度限制,只能得到法向导热系数。Chen利用沉浸的Pt线测试了FC77液体的导热系数和热容然后测试了液体下部固体的导热系数。2005年，Olson侧采用热阻的形式,同时测试导热系数、比热、各向异性导热系数和多层薄膜结构的接触热阻;在高频测试段,加热元件很可能使外表的测试信号失真

11、,在大局部的实验中由于采用的测试频率比较小,一般都可以观测到该现象,但是目前对加热元件对测试结果的影响报道很少。2006年，Ahmed等把加热频率扩展到MHz范围,使交流加热的热作用深度小于薄膜的厚度,此时基体的影响可以忽略,把单层金刚石薄膜沿厚度方向看作半无限大物体,可以直接拟合出薄膜的导热系数;建立的实验系统采用高频下的运算放大器,并且采用小阻值电阻消除了加热器引线和焊盘电阻。但是在高频下测量时没有考虑加热器自身的热容、热阻和接触热阻。近年来，对3法测量微纳米材料热物性的研究有了一些新的开展方向，如加热与测温元件分开化，宽频屡次谐波测量和独立探头并与扫描热显微技术相结合等。未来，还有很多相

12、关问题值得研究。参考文献1Holland L.R, Smith R.C. Analysis of temperature fluctuations in ac heated filaments.J.Appl.Phys.1966,7(12):452845362 Sullivan P.F, Seidel G. Steady-state, ac-temperature calorimetry.Phys.Rev.1968,173(3):6796853Birge N.0. Specific heat of spectroscopy of glycerol and propylene glycol nea

13、r the glass transition. Phys. Rev. B 1986,34(3):163116424David. G. Cahill and R.0.Pohl. Thermal conductivity of amorphous solids above the plateau.Phys.Rev.B,1987,35(8):406740735 Lee S-M,Kwun S-. Heat capacity measurement of dielectric solids using a linear surface heater: application to ferroelectr

14、ics. Rev. Sci. Instrum.1994,65(4):9669706Cahill D.G. Katiyar M,Abelson J.R. Thermal conductivities of a-Si: H thin film.Phys.Rev.B1994,50(9):607760817 Talor R.E, Wang X, Xu X. Thermophysics Properties of thermal barrier coatings. Surface and Coating Technology,1999,120121:89958 Ju Y.S, Goodson K.E. Proeess-dependent thermal transport properties of silicon dioxide films deposited using low-pressure chemieal vapor deposition. J. Appl.Phys.1999,85(10):713071349Borea-Taseiue,Chen G.Anisotropic thermal conduetivity of a Si/Ge qu