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纳米薄膜非平衡热导率的理论与实验研究

作　者: 王向宁
导　师: 马连湘
学　校: 青岛科技大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 纳米薄膜 热导率 非平衡 3ω方法
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-25
  1.1 课题背景  10-12
  1.2 纳米薄膜综述  12-17
    1.2.1 纳米薄膜分类  12-13
    1.2.2 纳米薄膜的制备方法  13-15
    1.2.3 纳米薄膜的特性及应用  15-17
  1.3 国内外研究进展  17-22
    1.3.1 薄膜热传导  18-21
    1.3.2 非平衡态薄膜热传导  21-22
  1.4 课题研究内容及意义  22-25
    1.4.1 研究内容  22-23
    1.4.2 课题意义  23-25
2 纳米薄膜结构的非平衡热传导理论  25-37
  2.1 纳米粒子周围的非平衡热传导  25-28
    2.1.1 纳米粒子热通量  25-28
    2.1.2 纳米粒子等效热导率  28
  2.2 声子在纳米结构中的传输  28-36
    2.2.1 界面的声子非平衡运输  29-33
    2.2.2 纳米薄膜的非平衡传热  33-36
  2.3 本章小结  36-37
3 热导率实验方案  37-57
  3.1 实验方法选择  37-42
    3.1.1 稳态光加热法  37-39
    3.1.2 瞬态光加热法  39-40
    3.1.3 稳态电加热法  40-41
    3.1.4 瞬态电加热法  41-42
  3.2 3ω方法实验原理  42-45
  3.3 样品标准及加热器的选择  45-48
    3.3.1 实验样品的选择标准  45
    3.3.2 微加热器材料的选择  45-46
    3.3.3 微加热器的制作  46-48
  3.5 实验台搭建要求  48-50
  3.6 实验台的标定  50-55
    3.6.1 SiO_2 薄膜制备  50-52
    3.6.2 测试  52-55
  3.7 本章小结  55-57
4 Si_3N_4薄膜非平衡热导率实验  57-74
  4.1 选材原因  57
  4.2 Si_3N_4 薄膜性能及应用  57-61
    4.2.1 光学性能及应用  58
    4.2.2 钝化性能及应用  58-59
    4.2.3 其它性能及应用  59-61
  4.3 Si_3N_4 薄膜制备  61-64
    4.3.1 实验设备  61-62
    4.3.2 制备过程  62-63
    4.3.3 性能检测  63-64
  4.4 实验样品加工  64-66
  4.5 实验  66-73
    4.5.1 实验步骤  66
    4.5.2 低频段实验  66-71
    4.5.3 高频段实验  71-73
  4.6 本章小结  73-74
5. 结果分析  74-90
  5.1 导热系数与温度的关系  74-75
  5.2 热导率与频率的关系  75-77
  5.3 热导率与加热器尺寸关系  77-83
    5.3.1 无限窄线热源加热半无限大样品  77-79
    5.3.2 有限宽线热源加热半无限大样品  79-83
  5.4 热导率与声子平均自由程的关系  83-84
  5.5 误差分析  84-89
    5.5.1 随机误差  84-86
    5.5.2 系统误差  86-87
    5.5.3 黑体辐射对结果影响  87-88
    5.5.4 热导率的尺寸效应影响  88-89
  5.6 本章小结  89-90
6 结论与展望  90-92
  6.1 结论  90-91
  6.2 展望  91-92
参考文献  92-98
致谢  98-99
攻读硕士学位期间发表的论文  99-100

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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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