频率-电流扫描3ω法实验表征纳米薄膜界面热阻 王照亮.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143120 频率-电流扫描3ω法：系统热管理和热设计的热点和难点3ω法3ω法ZrO2、SiO2增透膜与基体之间的界面热阻分别为0.108 m2·K·MW-1和0.066 m2·K·MW-1，发现界面热阻与扫描频率无关，未发现界面热阻随膜厚变化的尺度效应。实验和理论分析表明，声子近界面效应在增透膜和基体界面的热输运过程中起主导作用。 关键词：纳米薄膜，界面热阻，频率扫描3ω法3ω法 在微电子器件和光学涂层结构中，多层薄膜热扩散复杂[]。界面热阻的实验表征尤为重要3ω法[-11]。光热反射法测试的不同材料之间界面热阻的典型范围为3×10?8 ~ 1.2×10?7 m2·K·W-1[2-6]。由于表面反射率和粗糙度的影响，主要用于测量金属膜与非金属基体间的界面热阻。由于测试频率、金属加热膜与试样之间TBR的限制，3ω法用于TBR的研究[-11]很少。Lee、Cahill[]首先借助多个不同厚度的试样将斜率3ω法利用热阻串联得到金属膜/SiO2/Si复合结构中总的TBRHu等[]测量了CNT阵列Si多层膜结构总的TBR。Quintana[9]在低频下测试了Ge与Si基底间的TBR。Chen等[]利用3ω法测量了石墨烯薄膜与SiO2之间的。Wang等[]测试了CNT阵列Si基体之间的TBR。3ω法[12]；低频下基体不满足半无限大假设。本文建立了频域内基体热阻抗计算模型和热阻抗网络模型，在几十KHz范围的宽频段，将频率扫描3ω法3ω法10、厚度2的Nd:YAG晶体。采用真空溅射工艺在其表面上分别沉积不同厚度的ZrO2、SiO2单层增透膜。其中，四个ZrO2薄膜的厚度分别为26、90、260、465 nm，六个SiO2薄膜的厚度分别为20、50、110、165、300、532 nm。SiO2增透膜对于ZrO2SiO2增透膜，其表面与的附着效果差，经过多次尝试，先旋涂光刻胶后溅射微型加热膜的工序很难制备比较理想的加热膜，最后采用先溅射厚度为180、宽度为8 μm的加热膜，然后再旋涂光刻胶的工艺可以制备附着性强的加热膜。3ω法3ω法 (a) 增透膜试样 (b) 参考试样 图3ω法是在待测材料表面制备一定尺度和形状的微型金属膜，同时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。在实验过程中，对金属膜施加角频率为1ω的交流电流，由于金属膜有一定的电阻，因焦耳效应产生的热量将以2ω的频率对金属膜和材料加热，金属膜和材料吸收热量后产生频率为2ω的温度波。对于纯金属，温度升高，电阻增大。增加电阻的变化频率也是2ω，与频率为ω的交流电流作用产生频率为3ω的电压。加热膜两端电压的三次谐波成分与热作用有关。根据信号扫描模式将3ω法3ω法3ω法3ω法3ω法[1,13-14]表明，在一定频率范围内，加热膜温升与加热功率之间具有线性关系。电流扫描3ω法3ω法3ω法[1] （1） 其中，为表面热阻抗，K·m2·W-1；为金属加热膜室温下的电阻，；为加热膜面积，m2；为加热膜电阻温度系数，K-1；和分别为加热膜基波和三次谐波电压，V；为加热电流。由式（1）可见，若选定加热频率，测试不同电流下产生的三次谐波进而可得到任意设定频率下的试样热阻抗。对于图1所示的测试结构，频域内薄膜试样和无薄膜试样的表面热阻抗分别为和。假设金属加热膜与待测薄膜和基体之间的界面热阻相同，把待测薄膜自身热阻与薄膜-基体界面热阻之和，即增透膜表观热阻表示为 （2） 对于图1所示的试样，根据上述基于电流扫描的求差-3ω法原理，借助单层增透膜试样和无增透膜参考试样，可得到不同厚度增透膜的表观热阻，进而得到对应的增透膜表观热导率；假设界面热阻不随增透膜厚度变化，拟合增透膜表观热导率随膜厚变化的曲线，同时得到纳米增透膜与Nd:YAG基体的界面热阻及增透膜自身热阻。对于求差-3ω法，特别是在高频下测量时，金属加热膜与试样之间的界面热阻可能产生较大的误差；为了进一步验证界面热阻是否与增透膜厚度有关并得到金属加热膜与增透膜之间的界面热阻，建立以下基于频率扫描的热阻抗网络模型。 （2）频率扫描3ω法 (3) 边界条件 根据式（1），3ω加热膜温升和表面热阻抗分别为 (4) (5) 对于纳米薄膜，由