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基于近场辐射的介电薄膜热导率模型研究

作　者: 李现霞
导　师: 董华
学　校: 青岛理工大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 介电薄膜 薄膜热导率 近场辐射 声子输运 LDOS
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 22次
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内容摘要


微米/纳米介电薄膜材料广泛应用于大规模集成电路、激光器件、微机电系统等,薄膜导热特性影响着器件和系统的性能和可靠性。而对于微观领域中超急速,高热流密度等极端条件的传热过程,傅里叶导热定律和普朗克黑体辐射定律等的宏观理论存在局限性,需要建立新的微尺度传热模型。分析介电薄膜的传热机制,研究薄膜热特性对于器件的设计和稳定运行具有重要意义。在低维介电材料声子输运机理的基础上初步获得介电薄膜热传导机制。分析了3ω方法测量薄膜热导率实验结果,综合了多种薄膜热导率测量方法测量的SiO2薄膜热导率与膜厚的关系,结果显示薄膜的热导率和膜厚没有明显的依赖关系。这与薄膜的表面声子散射增强,导致薄膜热导率随着膜厚的减小而减小的现有理论相悖。在近场辐射的理论和试验基础上,建立了一个基于近场辐射的介电薄膜热传导模型,并以SiO2为例计算得出薄膜热导率与膜厚的关系。常温下,SiO2薄膜热导率随着膜厚的减小而减小,但是在微米、甚至纳米量级上并不明显。即使在膜厚在30nm的情况下,热导率的变化量小于体态热导率的万分之一。综合薄膜热传导声子输运方程（Boltzmann Transport Equation,BET）和表面区域能态密度（Local Density Of State,LDOS）方程,对薄膜热传导和近场辐射统一性进行分析,验证介电薄膜热传导模型的合理性。计算结果与本领域的相关试验和理论分析一致,在微纳米尺度范围内,薄膜热传导和近场辐射统一的,表明通过近场辐射求解薄膜热导率的理论模型合理可行。

全文目录


摘要  7-8
ABSTRACT  8-10
第1章 绪论  10-21
  1.1 引言  10-18
    1.1.1 研究背景及意义  10-17
    1.1.2 薄膜热传导现有研究方法  17-18
  1.2 国内外研究现状  18-19
  1.3 课题研究的意义及主要内容  19-21
第2章 低维介电材料的传热机理  21-36
  2.1 体态热传导的声子运输  21-26
    2.1.1 晶格的振动  21-23
    2.1.2 热的传递-声子之间的碰撞  23-25
    2.1.3 缺陷和边界散射  25-26
  2.2 介电薄膜导热的声子运输  26-27
  2.3 近场辐射的声子运输  27-35
    2.3.1 固体材料热辐射性质  28-29
    2.3.2 近场辐射效应的研究  29-30
    2.3.3 近场辐射实验  30-35
  2.4 本章小结  35-36
第3章 介电薄膜热传导的理论和试验研究  36-55
  3.1 介电薄膜的声子输运方程  36-41
    3.1.1 声子输运的一般形式  36-38
    3.1.2 声子辐射传热方程EPRT  38
    3.1.3 薄膜的稳态导热模型  38-40
    3.1.4 声子辐射平衡  40-41
  3.2 薄膜导热系数的实验研究  41-53
    3.2.1 3ω方法基本原理  41-48
    3.2.2 3ω方法测量SiO_2 薄膜的导热系数  48-52
    3.2.3 其他方法测量SiO_2 薄膜热导率  52-53
  3.3 本章小结  53-55
第4章 薄膜热传导新模型的建立及分析  55-74
  4.1 薄膜热传导新模型的建立  55-57
    4.1.1 薄膜热导的理论试验模型  55-56
    4.1.2 理论试验的数学推导  56-57
  4.2 近场辐射试验及理论研究  57-68
    4.2.1 近场辐射的实验研究  58-59
    4.2.2 区域能态密度LDOS  59-65
    4.2.3 SiO_2 的表面波能量计算  65-68
  4.3 利用模型计算SiO_2 薄膜导热系数  68-70
  4.4 近场辐射和薄膜热传导统一性研究  70-72
    4.4.1 极限情况统一性研究  70-71
    4.4.2 非极限情况统一性研究  71-72
  4.5 本章小结  72-74
第5章 结论与展望  74-76
  5.1 主要工作和结论  74
  5.2 创新性  74-75
  5.3 展望  75-76
主要符号（NOMENCLATURE）  76-78
参考文献  78-84
硕士期间已发表论文目录  84-85
致谢  85

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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