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纳米薄膜材料界面热传导实验研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 背景介绍

1.2 固体热载流子

1.3 界面热导测量方法

1.4 本文框架

第二章 飞秒激光瞬态热反射系统

2.1 测量原理

2.1.1 样品反射率与温度关系

2.1.2 加热脉冲时序

2.2 测量系统

2.2.1 激光系统

2.2.2 锁相放大器

2.2.3 声光调制器

2.3 测量系统安装与调试

2.3.1 探测光束校准

2.3.2 探测光束准直

2.3.3 探测光束与泵浦光束重合

2.4 总结

第三章 热学模型

3.1 一维无残余时域热学模型

3.2 两维有残余热时(频)域热学模型

3.2.1 两维有残余热时(频)域热学模型

3.2.2 残余热二维模型与一维模型比较

3.3 残余热模型与无残余热模型比较

3.4 总结

第四章 界面热导与材料热学特性关系

4.1 研究背景

4.2 样品制作

4.3 测量结果

4.3.1 实验条件

4.3.2 实验结果敏感性分析

4.4 实验结果分析

4.5 本章总结

第五章 单层石墨烯对界面传导影响

5.1 研究背景

5.2 样品制备

5.3 测量结果

5.3.1 实验条件

5.3.2 参数敏感性分析

5.3.3 测量结果与分析

5.4 本章总结

第六章 电子对界面热传导的贡献

6.1 研究背景

6.2 双延迟台瞬态热反射技术

6.3 样品制作

6.4 结果和讨论

6.5 总结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

拟合程序清单

博士期间发表的论文和取得的学术成果

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摘要

随着微纳米制作技术的发展,现代设备与结构尺度趋向于声子平均自由程。在此尺度内的热传导研究面临着严峻的挑战,这主要是因为影响热传导效率不仅取决于材料本身热阻,而且更多地依赖于单位长度内越来越多的界面。界面热传导机理比较复杂,不仅与界面两侧材料热学特性相关,而且与界面微结构紧密相关。尽管对界面热传导研究进行了几十年,但是所提出的理论和进行的实验只能够解释一定范围内现象。因而,有必要理解界面热传导这一特殊现象。 首先搭建了飞秒激光瞬态热反射系统。在这个系统中,从飞秒激光器发出的脉冲经过一个分束器分成两束光,一束较强光经过调制后聚焦于样品表面完成加热过程;另外一束较弱光用来探测加热区域内样品表面温度变化情况,而样品表面温度与基底以及界面的热学特性紧密相关,选用适当热学模型就可以提取这些热学参数,例如界面热导、热导率、比热容等。 为了研究界面两侧材料热学特性对界面热传导影响,考虑到金属薄膜与基底热导率的差异,准备了包括Al/Si、Al/SiO2、Au/Si、Au/SiO2一系列样品。利用瞬态热反射法测量了样品的界面热导,结果表明对于同种基底材料,界面两侧材料热扩散率比值增加时,声子透过率降低,金属薄膜声子只有一部分透过界面和基底声子进行耦合,使界面热导变小;相反,声子透过率增大,金属薄膜更多的声子可以透过界面和基底声子耦合,导致界面热导增大。 通过化学气相沉积方法制备了石墨烯,采用磁控溅射和热蒸镀两种方法沉积了Al薄膜,进而研究了石墨烯对Al/Si界面热导的影响。室温下磁控溅射Al膜时会在Al与Si界面处形成较薄的混合层,测量结果表明石墨烯的介入会极大地降低界面热传导效率。这主要是因为石墨烯的介入会增加界面的个数,增大了声子界面散射的机率,导致界面热导下降很多;而对于高温热蒸镀生成Al膜,则会在Al膜与Si基底之间形成一层较厚的混合层。这层混合层对界面热流的阻碍作用要比一层石墨烯对热流的阻碍作用要大,因而测量结果显示石墨烯的介入会增加界面热导。另外,在有石墨烯的位置,界面热导不再对Al薄膜沉积方法敏感,这暗示着石墨烯介入会阻止混合层的生成。这些结果表明石墨烯不但可以作为热处理材料,还可以作为最薄掩膜材料阻止金属原子扩散进基底。 以上界面热传导的研究都是基于声子作为主要热载流子,电子的贡献可以忽略不计。为了研究电子在界面热传导中的作用,制作了两个石墨烯双边与金属接触样品,Au/graphene/Au和Au/H-graphene/Au。利用瞬态热反射法测量这两个样品界面热导,发现Au/graphene/Au界面热导,即30MW/m2·K,比Au/H-graphene/Au,14MW/m2·K,大两倍多。另外测量了Au/graphene/SiO2与Au/H-graphene/SiO2界面热导,结果表明这两个界面热导几乎相等。这些结果表明Au/graphene/Au界面热传导是由声子与电子共同独立地承担,而样品Au/H-graphene/Au,界面热传导主要是由声子主导。通过比较可以得出在样品Au/graphene/Au中,电子对界面热导贡献占总界面热导大约为53%。石墨烯在双边接触金属时电子对界面热传导作用和声子作用相当,而当单边接触金属时,电子界面热输运的行为被抑制。

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