涂層熱導(dǎo)率測量的研究進展及展望

1、涂層熱導(dǎo)率測量的研究進展及展望論文摘要：介紹了涂層熱導(dǎo)率的測試方法。分別綜述了熱線法、閃光法、光熱反射發(fā)、光聲法、3法以及它們的開展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景。總結(jié)了當(dāng)前涂層熱導(dǎo)率的測試技術(shù)存在的一些問題，并且就其測試方法的開展方向進行了展望。最后提出，將獨立探頭與掃描熱顯微SThM)技術(shù)相結(jié)合的3-SThM熱顯微測試系統(tǒng)，此技術(shù)是測量涂層熱導(dǎo)率的一種開展趨勢。論文關(guān)鍵詞：涂層,熱導(dǎo)率,測試方法引言在納米技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，熱物性是納米材料的重要物性。微/納米尺度下材料的熱導(dǎo)率、熱擴散率、比熱容等熱參數(shù)的測量及表征是研究微觀尺度聲子運動、熱輸運和缺陷等的重要手段。隨著薄膜材料厚度的不斷減小，其熱導(dǎo)率和熱擴散率

2、甚至其它熱參數(shù)也表現(xiàn)出了明顯的差異性，即具有明顯的尺度效應(yīng)。同時，隨著合成、微加工和分析等技術(shù)的不斷開展，人們需要表征幾微米至幾納米尺度的材料、結(jié)構(gòu)和器件的特征。比方，半導(dǎo)體量子結(jié)、超晶格材料、納米復(fù)合材料、納米厚度的多層涂層、微電子和光電子器件及MEMS傳感器等。隨著涂層厚度的不斷減小，薄膜法相和面向的熱導(dǎo)率也隨著不斷下降并表現(xiàn)出各向異性；對于激光晶體或微型傳感器外表的增透膜、高反膜等多層納米厚度的薄膜結(jié)構(gòu)，薄膜之間的界面接觸熱阻影響也隨著逐漸增大。因此，對于納米鍍層熱參數(shù)的測量具有重要的現(xiàn)實意義。迄今為止，已有幾種微納米材料的熱物理性質(zhì)的測試方法。測試熱導(dǎo)率和熱擴散率主要有接觸式測量法和非

3、接觸式測量法，如熱線法、閃光法、光熱反射發(fā)、光聲法等。上述方法一般不能直接測試式樣的熱導(dǎo)率而是通過測試熱擴散率，然后導(dǎo)出試樣的熱導(dǎo)率，因此，測量結(jié)果的準(zhǔn)確度與熱容等的不確定度有很大的關(guān)系。而且，這些方法對于基體外表薄膜熱參數(shù)的測量限制也比擬大。Lee和Cahill提出的3法是一種基于諧波探測技術(shù)的接觸式熱物性測量方法，在過去十幾年里國內(nèi)外的實驗研究已經(jīng)說明此方法可以有效用于微/納米尺度熱物性的測量。王照亮等拓展了3法的測試功能并將3法應(yīng)用于單層/多層納米薄膜、單根碳纖維、單根單壁碳納米管以及納米流體等的熱導(dǎo)率和熱擴散率的測量。由于傳統(tǒng)的3法加熱膜要求具有一定的形狀和最小尺度，限制了沿材料面向的

4、空間分辨率，不能進行多點測試。此外，金屬加熱膜與下部涂層之間存在的接觸熱阻是不可防止且是難以解決的問題。而現(xiàn)在將3量熱技術(shù)與掃描熱顯微鏡SThM技術(shù)相結(jié)合提出的3-SThM熱顯微測試系統(tǒng)，可以解決傳統(tǒng)的3法存在的一些缺乏，進一步完善了3方法，也是測試熱導(dǎo)率方法的開展趨勢。本文分析了各種方法的測試原理，歸納其應(yīng)用范圍。特別分析了3量熱技術(shù)與掃描熱顯微鏡SThM技術(shù)相結(jié)合的3-SThM熱顯微測試系統(tǒng)測定納米涂層的熱導(dǎo)率的可能性。1.涂層熱導(dǎo)率測試方法分析1.1熱線法熱線法又稱為鉑電阻測溫技術(shù);，最初在20世紀(jì)70年代提出，是測量熱導(dǎo)率最早使用的方法。1977年Julia用該方法測量液體的熱導(dǎo)率，它

5、測量的是整個熱線的溫度，防止了測溫點和其它點上熱線和試樣的接觸而造成的誤差，然而，此方法要求熱線的電阻溫度系數(shù)穩(wěn)定且準(zhǔn)確，鉑金屬價格昂貴在一定程度上限制了此方法的推廣應(yīng)用。1978年J.Boeret等人提出Parallelwire模型，這種模型中熱絲只作為加熱單位，檢測溫度變化是由距加熱絲一定距離處的一對熱電偶來完成的。熱線法具有ASTM標(biāo)準(zhǔn)、模型簡單便于設(shè)計。但是熱線法也具有一些缺點，比方溫差大會使得測試結(jié)果不準(zhǔn)確、保護板產(chǎn)生熱損耗、接觸熱阻很大導(dǎo)致測試結(jié)果產(chǎn)生誤差、測試時間較長等。張興等給出了一種基于T型微結(jié)構(gòu)的短熱線法物理模型引用張興的文章，如圖1所示。該方法由可以有效用于金屬薄膜的熱導(dǎo)

6、率的測量，其原理是將熱線同時作為熱源和溫度傳感器，并利用熱線的電阻隨著溫度變化的原理，測出熱線電阻值的變化從而得到其溫度的變化，再根據(jù)溫度的變化獲得薄膜材料的熱導(dǎo)率。圖1短熱線發(fā)物理模型1.2光熱探測技術(shù)光熱探測photothermaldetection,PT技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，是一種利用熱鼓勵方法進行固體熱物性非接觸式測量的有效方法，目前已廣泛用來表征微納米薄膜的熱擴散率和熱導(dǎo)率。熱探測技術(shù)對于測量處于懸空狀態(tài)的自由薄膜的熱導(dǎo)率比具有很大的優(yōu)勢，但是此種方法不能直接測量薄膜的熱導(dǎo)率且測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。根據(jù)物體外表由激光加熱作用產(chǎn)生的溫度響應(yīng)的具體探測方法，光熱探測技術(shù)主要有四種典型的方

7、法：利用紅外探測器探測的閃光法flashmethod,FM)、激光光熱反射photothermalreflectance,PTR法、光熱偏轉(zhuǎn)photothermaldeflectance,PTD.通常也稱為Mirage)法和光熱透射photothermaltransmitance,PTT)法。激光閃光法又稱為閃光擴散法，是一種非穩(wěn)態(tài)的測量材料熱導(dǎo)率的技術(shù)，。最早是由Parker等人提出和研究成功的，有效性已經(jīng)得到了普遍驗證。其測量系統(tǒng)見圖2所示。激光閃光法是利用紅外探測器探測試樣反面的溫度變化，探測信號通過鎖相放大器放大處理后得到試樣外表的溫度響應(yīng)，再經(jīng)過數(shù)學(xué)模型處理，于是就可以得到薄膜的熱擴

8、散率。激光閃光法可以有效測量厚度為幾毫米量級薄片狀材料的熱擴散率，作為非接觸式熱測量技術(shù)的閃光法可以有效的測量亞微米尺度薄膜尺度垂直方向的熱擴散率。并且具有高溫高導(dǎo)、非接觸、速度快、有標(biāo)準(zhǔn)等優(yōu)點。但是由于受到加熱和測試系統(tǒng)的限制，對于厚度比擬小的薄膜，加熱激光的脈沖寬度、測試系統(tǒng)響應(yīng)滯后和吸收涂層等對熱擴散率測量會產(chǎn)生比擬大的影響。使用該方法測量導(dǎo)熱系數(shù)時，還要求知道樣品的密度與比熱。此外，閃光法即不能測量透明材料也很難測量納米微米尺度的樣品，它還具有很多缺點即樣品需要各相同性、樣品外表嚴(yán)格平行、吸收激光材料不能透明、各方向具有熱損耗等。圖2激光閃光法測量系統(tǒng)光熱反射技術(shù)是近年來一種開展較快的

9、非接觸式無損檢測技術(shù)，實驗研究已經(jīng)證明光熱反射法可以有效地用于薄膜熱導(dǎo)率的測量，還可以有效地測量亞微米尺度薄膜尺度垂直方向的熱擴散率。2002年Araki等設(shè)計了低溫下測量薄膜材料熱擴散率的實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在連續(xù)光反射下利用瞬態(tài)反射率變化的實驗數(shù)據(jù)得到的溫度響應(yīng)，再利用Parke公式擬合進而獲得薄膜的熱擴散率。該測試方法屬于間接測試，測試結(jié)果存在著誤差。為了減小試樣熱彈性位移引起的誤差，必須對入射光進行擴束并使其垂直照射到試樣的外表，這就造成了試驗系統(tǒng)較復(fù)雜，設(shè)計比擬麻煩。而且實驗時加熱過程的溫度波動及反射率與溫度的關(guān)系曲線都會導(dǎo)致薄膜熱導(dǎo)率的測試誤差。1.3光聲法光聲法是一種典型的非接觸式

10、熱物性測量方法，已經(jīng)開展成為一種測量納米厚度薄膜熱導(dǎo)率的有效方法。圖3為光聲測試系統(tǒng)示意圖，其根本原理為：激光通過調(diào)制后照射到光聲腔中的試樣外表，試樣吸收光能后，從基態(tài)躍遷至某一激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的試樣，當(dāng)通過無輻射退激發(fā)返回基態(tài)時，通過交換聲子或其他途徑，將能量傳遞給試樣。伴隨無輻射退激發(fā)現(xiàn)象的發(fā)生，試樣外表溫度發(fā)生周期性的變化。用靈敏麥克風(fēng)等光聲探測器可以檢測出試樣溫度變化引起周圍氣體壓力的變化，而試樣溫度的變化又依賴于試樣的熱物性，因此可以利用這個原理來測試材料的熱物性參數(shù)。此方法不能直接測量材料的熱導(dǎo)率而是通過測量材料的熱擴散率導(dǎo)出熱導(dǎo)率，這樣就會導(dǎo)致測量結(jié)果的誤差，此外測試時間較長，

11、測試系統(tǒng)比擬復(fù)雜。圖3光聲法測試系統(tǒng)示意圖1.43法Lee和Cahill提出的3法是一種基于諧波探測技術(shù)的接觸式熱物性測量方法，實驗研究已經(jīng)證明該方法可以有效的用于微納米尺度材料的熱物性的測量。圖4為3法加熱器和試樣的剖面圖，傳統(tǒng)的3技術(shù)是一種與熱線法和熱帶法緊密相關(guān)的熱導(dǎo)率測量技術(shù)，它是在待測材料外表采用紫外曝光工藝或磁控濺射工藝制備約幾微米寬、幾百納米厚的微型金屬膜，該金屬膜同時作為加熱器和溫度傳感器，并采用交流加熱，根據(jù)熱波頻率與溫度波動的關(guān)系求得待測試樣的熱導(dǎo)率。利用3法可以比擬容易地同時實現(xiàn)薄膜面向和法向熱導(dǎo)率的測量。目前該方法在碳納米管等絲狀材料、納米孔隙新型材料或涂層、微/納米尺

12、度薄膜和液體的熱性能等方面得到了應(yīng)用。圖4加熱器和試樣的剖面圖然而在傳統(tǒng)的3法系統(tǒng)中加熱膜一旦沉積在試樣外表后該外表就不能重復(fù)使用，同時該加熱膜也不能再用于其它材料的測量，從而造成了材料的浪費。而且，傳統(tǒng)的3法的加熱膜要求具有一定的形狀和尺寸，限制了沿材料面向的空間分辨率，不能進行多點測試。其待測試樣必須為非導(dǎo)電固體，假設(shè)是導(dǎo)電固體要在其外表先沉積一層絕緣薄膜，而在待測樣品外表沉積絕緣層的工藝很難實施，且絕緣層的局部位置可能會發(fā)生導(dǎo)通。直接的后果就是金屬探測器不能顯示出自身真實的電阻值，最終將導(dǎo)致測量的熱導(dǎo)率值不可靠。此外，加熱器與試樣間存在著接觸熱阻，接觸熱阻是實驗誤差的主要來源。2.討論與

13、展望上述方法中除了3法以外都屬于非接觸式測量法，通過直接測量熱擴散率導(dǎo)出熱導(dǎo)率，其測量結(jié)果的準(zhǔn)確度與熱容的不確定度有關(guān)。此外這些方法在測量基體外表薄膜參數(shù)時具有很大的限制。目前的3技術(shù)由于其相對精確，探測器可以做得極微小，可以拓展到各種系統(tǒng)的熱物性測量，因此成為一種廣受歡送的測試技術(shù)。但是這種技術(shù)還存在一些內(nèi)在的缺點，如需要重復(fù)制作四焊盤金屬探測器并且四焊盤金屬探測器極易損壞，限制了3技術(shù)在實際中的應(yīng)用。為了使3法得到廣泛的應(yīng)用特別是在微觀尺度傳熱領(lǐng)域的應(yīng)用，有必要對3法的測量原理做進一步修正。將獨立探頭與掃描熱顯微SThM)技術(shù)相結(jié)合，研制出3-SThM測試系統(tǒng)見圖5熱顯微測試系統(tǒng)，可以用來

14、測量納米鍍層熱物性等有關(guān)參數(shù)。圖53-SThM熱顯微測試系統(tǒng)根據(jù)目前3的開展現(xiàn)狀，我們可以采用交流熱掃描熱顯微鏡技術(shù)把2和3信號測量相結(jié)合，其測量時間短、精度高非常適合納米鍍層電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的測量。隨著熱交換器非晶防垢鍍層厚度的不斷微型化，迫切需要研究具有高空間分辨率的熱參數(shù)顯微測試系統(tǒng)。假設(shè)用活動探頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)的3測試系統(tǒng)中沉積在被測物體外表的加熱膜，同時用作加熱器和測溫器，微型探頭與材料外表的最小接觸半徑可到達(dá)30-50nm，可以表征外表不同位置熱參數(shù)的差異。因此，將可移動的微型探頭和掃描熱顯微SThM)技術(shù)相結(jié)合研制出3-SThM熱顯微測試系統(tǒng)，此測試系統(tǒng)是納米鍍層熱導(dǎo)率測量方法的一種開展

15、趨勢。參考文獻2 Tang D W, Araki N. Some approaches for obtaining better data for thermal diffusivities of thinmaterials measured by the laser-flash method . High Temperatures HighPressures,2000,32:693 700.5 Araki N, Tang D W, Kawashima H. Measurement of thermal diffusivity at lowtemperatures using an optic

16、al reflectivity technique. International Journalof Thermophysics, 2002,23(1):245 252.6 Cola B A, Xu J, Cheng C. Photoacoustic characterization of carbon nanotube array thermal interfaces.Journal of Applied Physics,2007,101(5):054313(1) 054313(9).7 Chen F, Shulman J, Chu C W. Thermal conductivity mea

17、surement under hydro-staticpressure using the 3 method . Review of Scientific Instruments,2004,75(11):4578 4584.8 Borca-Tasiuc T, Kumar A R, Chen G. Data reduction in 3 menthod for thin-film thermal conductivity determination . Review of Scientific Instruments,2001,72(4):2139 2147.9 張立偉,馬靈芝,唐禎安等.一種用

18、于測量SiO 薄膜導(dǎo)熱系數(shù)的測試方法.測控技術(shù), 2001,20:25 27.10 豐平,王太宏. 3方法及其在納米材料器件表征中的應(yīng)用.物理學(xué)報,2003,52:2249 2253.11 Zhang X, Fujiwara S, Fujii M. Measurements of thermal conductivity and electrical conductivity of asingle carbon fiber . International Journal of Thermophysics,2000,21(4):965 980.12 Hwang S W, J ung H H , Hyu