中科大量熱技術(shù)和熱物性測定課件第10章 微納米材料熱物性

量熱技術(shù)和熱物性測定第十章微納米材料熱物性2025/6/241納米材料指尺度0.1～100nm的材料，由于尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)而表現(xiàn)出與塊體材料不同的聲、光、熱、電、磁等性能。尤其隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的飛速發(fā)展，微尺度傳熱成為熱科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，而微納米材料的熱物性研究更是其中重要的基礎(chǔ)研究。薄膜材料（二維）碳纖維及碳納米管（一維）第十章微納米材料熱物性2025/6/242當(dāng)熱載子(電子、聲子、光子)的各種特征尺寸變得可以相互比擬，或者與器件的特征尺寸相當(dāng)時，反應(yīng)物質(zhì)能量輸運規(guī)律的物性參數(shù)如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等會體現(xiàn)出明顯的尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)。第十章微納米材料熱物性2025/6/243微納米材料比熱Debye

晶體振動理論是傳統(tǒng)晶體比熱容研究的基礎(chǔ),但由于尺寸和表面效應(yīng)等因素的影響,納米顆粒的比熱容與體材比熱容往往會有較大差距。Planck最早指出,當(dāng)固體尺度很小時,內(nèi)部聲子色散關(guān)系將由連續(xù)變?yōu)殡x散,使Debye關(guān)于固體比熱容在低溫時遵守的T3規(guī)律不再適用。表面原子和內(nèi)部原子對比熱容貢獻的差別不容忽視。第十章微納米材料熱物性2025/6/244微納米材料比熱晶體表面原子的配位數(shù)通常都小于內(nèi)部原子的配位數(shù),使得表面原子的振動存在軟化現(xiàn)象,即振動頻率衰減。對于體材,表面原子所占百分比可忽略不計,振動軟化現(xiàn)象不明顯。對納米尺度的晶體,表面原子所占的百分比較大,甚至占據(jù)了主要地位,因此必須考慮表面原子振動軟化因素的影響。第十章微納米材料熱物性2025/6/245微納米材料比熱隨著溫度的增高,氧化銅晶體的比熱容將明顯高于體材值;在極低溫區(qū),氧化銅晶體的比熱容又稍低于體材值;氧化銅晶體的比熱容在中溫區(qū)存在一個由高到低的轉(zhuǎn)變關(guān)系。第十章微納米材料熱物性尺寸效應(yīng)對氧化銅比熱容的影響2025/6/246微納米材料比熱在高溫區(qū),尺寸效應(yīng)存在一個錯變關(guān)系,即比熱容先隨粒徑減小而單調(diào)遞減,而后又單調(diào)遞增。而在極低溫區(qū)才存在單調(diào)遞減關(guān)系,這與氧化銅納米顆粒的量子效應(yīng)和尺寸效應(yīng)對比熱容的影響范圍不同有關(guān)。對于10nm以上的納米顆粒,量子效應(yīng)可以忽略,比熱容隨粒徑單調(diào)遞減;對于粒徑小于10nm的納米顆粒,溫度較高時的量子效應(yīng)使得比熱容有一個整體的偏高,從而出現(xiàn)了高溫區(qū)的交錯現(xiàn)象。第十章微納米材料熱物性高溫區(qū)氧化銅比熱容的尺寸效應(yīng)低溫區(qū)氧化銅比熱容的尺寸效應(yīng)2025/6/247微納米材料導(dǎo)熱塊體材料傳熱遵循的傅立葉定律，是唯象理論，是建立在材料連續(xù)介質(zhì)假設(shè)基礎(chǔ)上的，不考慮微觀熱載子的具體運動。當(dāng)從微觀研究導(dǎo)熱時，有：l為熱載子的平均運動自由程。Cv是熱載子比熱容，是總比熱容中受能量載子決定的那部分。而隨著材料尺度的降低，邊界散射效應(yīng)顯著，載子平均自由程小于體材，因此導(dǎo)熱系數(shù)將減小。第十章微納米材料熱物性2025/6/248薄膜材料熱物性測量在MEMS產(chǎn)品設(shè)計中，介電層除了用與電絕緣外，也做絕熱或機械結(jié)構(gòu)之用。MEMS元件所產(chǎn)生的熱量由介電層傳至基板與其他結(jié)構(gòu)、因此，薄膜的熱物理特性，直接關(guān)系到MEMS元件熱物理性能預(yù)估與設(shè)計分析。由于MEMS所沉積的薄膜厚度常為微納米等級，溫差很小(0.1℃)，由于測量精度與誤差限制，不能利用傳統(tǒng)方法，直接在薄膜上下側(cè)設(shè)計出感溫元件，以測出其微小溫差。第十章微納米材料熱物性2025/6/249薄膜材料熱物性測量——3ω方法1990年美國Cornell大學(xué)的Cahill等提出。其原理為利用沉積于薄膜上的細(xì)長金屬線作為加熱線，同時作為溫度傳感器。由于金屬線電阻值隨溫度升高而升高，因此當(dāng)金屬線輸入一固定頻率ω的正弦波電流時，會產(chǎn)生一個2ω頻率的溫度波向薄膜層擴散，其中與2ω相關(guān)的溫度幅值，又與金屬線兩端所測量出來的3ω電壓信號有關(guān)，因此該方法被通稱為3ω方法。第十章微納米材料熱物性2025/6/2410薄膜材料熱物性測量——3ω方法第十章微納米材料熱物性3ω方法測量樣品結(jié)構(gòu)示意圖I0sin(wt)L2bThinFilmSiSubstrateMetalline

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~1wT~Q~I2~2wR~T~2wV~IR~3wV2025/6/2411薄膜材料熱物性測量——3ω方法3ω法導(dǎo)熱系數(shù)計算公式為：3ω的優(yōu)點主要是樣品的制備簡單，僅需沉積金屬線于待測薄膜上，即可完成樣品制備，成本低廉。此外，由于使用交流電源產(chǎn)生振蕩熱源，所以熱損較小。但此法只適于測量熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于襯底熱導(dǎo)率的薄膜材料,并且只能測量垂直于薄膜方向的熱導(dǎo)率。第十章微納米材料熱物性2025/6/2412薄膜材料熱物性測量——交流量熱法第十章微納米材料熱物性一束調(diào)制光照在試樣上,轉(zhuǎn)化為交變的熱流,試樣的一部分被可移動的擋光板遮住,熱電偶安置在試樣上的陰影中,通過移動擋光板可以測出l取不同值時熱偶點處的溫度幅值和相位,就可算出薄膜的熱擴散率。2025/6/2413薄膜材料熱物性測量——交流量熱法熱電偶的溫度響應(yīng)為：幅值法：相位法：第十章微納米材料熱物性2025/6/2414薄膜材料熱物性測量——閃光法熱擴散率：第十章微納米材料熱物性2025/6/2415薄膜材料熱物性測量——閃光法使用脈沖法測量薄膜法向熱擴散率時，要求脈沖作用時間遠(yuǎn)小于試樣內(nèi)的溫度傳播特征時間t0.5。如果薄膜材料厚度非常小，t0.5也就很小，為滿足該條件，就需要很窄的脈沖寬度(納秒量級)和很高的信號采樣頻率，所以必須配備高性能的激光器、前置放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。另外,為了達到樣品在其表面吸收脈沖能量的要求，常需加表面吸收涂層，這會對測量準(zhǔn)確度造成影響。第十章微納米材料熱物性2025/6/2416薄膜材料熱物性測量——閃光法第十章微納米材料熱物性2025/6/2417薄膜材料熱物性測量——一維穩(wěn)態(tài)法第十章微納米材料熱物性Heatsink,T0Hotwirexl＋－給薄膜金屬絲通電，薄膜金屬絲兩端為恒溫?zé)岢?，則穩(wěn)定時，薄膜金屬絲有穩(wěn)定的溫升，其傳熱方程為：2025/6/2418薄膜材料熱物性測量——一維穩(wěn)態(tài)法第十章微納米材料熱物性2025/6/2419薄膜材料熱物性測量——一維穩(wěn)態(tài)法第十章微納米材料熱物性Powersupply+Keitheley2002Keitheley2002-

S1RSI+I-V+V-2025/6/2420薄膜材料熱物性測量——微橋法第十章微納米材料熱物性用微型加熱器加熱單層無襯底薄膜,用微熱敏電阻或熱電偶或電阻溫度計測量溫度的變化，從而測得薄膜材料的熱導(dǎo)率及熱擴散率。2025/6/2421薄膜材料熱物性測量——微橋法給加熱絲通穩(wěn)定直流電，加熱絲產(chǎn)生一個穩(wěn)定熱流沿薄膜正反兩方向傳播，在薄膜邊界，由于硅基底的熱沉作用，溫度急劇降低，因而可以認(rèn)為邊界處的溫度為環(huán)境溫度。由一維穩(wěn)態(tài)傳熱得：第十章微納米材料熱物性2025/6/2422薄膜材料熱物性測量——微橋法給加熱絲通穩(wěn)定直流電，加熱絲產(chǎn)生一個交變的熱流沿薄膜傳播，通過解一維的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程可以得到在x處的相位及幅值變化，計算得到熱擴散率：相位移動：振幅：第十章微納米材料熱物性2025/6/2423一維碳纖維碳納米管導(dǎo)熱系數(shù)測量將碳纖維碳納米管連接在一熱沉和熱絲中點處。第十章微納米材料熱物性xh1xh2lh1lh2lfxf

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FfHot-wireIHot-wireIIFiber/tube2025/6/2424一維碳纖維碳納米管導(dǎo)熱系數(shù)測量第十章微納米材料熱物性2025/6/2425一維碳纖維碳納米管導(dǎo)熱系數(shù)測量第十章微納米材料熱物性2025/6/2426一維碳纖維碳納米管導(dǎo)熱系數(shù)測量第十章微納米材料熱物性碳纖維2025/6/2427一維碳纖維碳納米管導(dǎo)熱系數(shù)測量第十章微納米材料熱物性碳納米管2025/6/2428碳納米管導(dǎo)熱系數(shù)測量SiNx

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