了得網工業技術_半導體納米結構界面導熱特性的分子動力學模擬

編輯推薦

“清華大學優秀博士學位論文叢書”（以下簡稱“優博叢書”）精選自2014年以來入選的清華大學校級優秀博士學位論文（Top 5%）。每篇論文經作者進一步修改、充實並增加導師序言後，以專著形式呈現在讀者面前。“優博叢書”選題範圍涉及自然科學和人文社會科學各主要領域，覆蓋清華大學開設的全部一級學科，代表了清華大學各學科*秀的博士學位論文的水平，反映了相關領域*的科研進展，具有較強的前沿性、繫統性和可讀性，是廣大博碩士研究生開題及撰寫學位論文的參考，也是科研人員快速和繫統了解某一細分領域發展概況、*進展以及創新思路的有效途徑。

內容簡介

隨著半導體器件和材料科學的發展，越來越多的納米結構和納米材料開始出現。界面特性深刻影響著納米結構的導熱及熱設計，本書以半導體納米界面導熱特性為主題，針對納米電子器件和納米材料的研究前沿問題，對國內外發展動向和研究現狀進行了調研和整理，研究融合了當前研究納米結構界面導熱特性的主要手段，力求在數值模擬及實驗測量的基礎上深入揭示影響納米結構界面導熱特性的主要因素及物理作用機制。
本書可供相關專業高年級本科生、研究生以及相關領域科研與教學工作者閱讀參考。

目錄
第1章緒論
1.1研究背景
1.2界面導熱特性理論模型
1.3界面導熱特性模擬計算
1.4界面導熱特性實驗測量
1.5界面導熱特性對納米材料熱物性的影響
1.5.1納米多晶材料熱導率
1.5.2納米結構界面熱整流效應
1.6本文研究內容

第2章復合薄膜界面熱阻特性的模擬及實驗測量
2.1雙層薄膜界面熱阻特性
2.1.1雙層薄膜建模及模擬細節

第1章緒論

1.1研究背景

1.2界面導熱特性理論模型

1.3界面導熱特性模擬計算

1.4界面導熱特性實驗測量

1.5界面導熱特性對納米材料熱物性的影響

1.5.1納米多晶材料熱導率

1.5.2納米結構界面熱整流效應

1.6本文研究內容

第2章復合薄膜界面熱阻特性的模擬及實驗測量

2.1雙層薄膜界面熱阻特性

2.1.1雙層薄膜建模及模擬細節

2.1.2界面熱阻隨界面溫度的變化

2.1.3界面熱阻隨界面兩側薄膜厚度的變化

2.1.4界面熱阻隨界面兩側材料原子質量比的變化

2.1.5界面熱阻隨熱流方向的變化

2.1.6聲子波包模擬

2.1.7雙層薄膜界面聲子透射特性

2.2晶界熱阻的分子動力學模擬

2.2.1晶界建模及模擬細節

2.2.2MüllerPlathe方法計算熱導率原理

2.2.3晶界熱阻隨溫度的變化

2.2.4晶界熱阻隨晶界角的變化

2.2.5扭轉晶界聲子透射特性

2.3界面熱阻的飛秒激光熱反射測量

2.3.1雙波長飛秒激光熱反射測量繫統

2.3.2傳熱理論模型

2.3.3實驗樣品制備

2.3.4測量結果分析

2.4小結

第3章基於聲子波包模擬的界面輸運特性研究

3.1一維原子鏈中的聲子透射特性

3.1.1含雜質的原子鏈的聲子輸運特性

3.1.2質量漸變原子鏈中的聲子輸運特性

3.2復合材料中的聲子輸運干涉效應

3.2.1建模及模擬細節

3.2.2立方形顆粒的干涉效應

3.2.3球形顆粒的干涉效應

3.2.4多次透射/反射預測模型

3.3聲子波包分裂現像分析

3.3.1波包信號分析

3.3.2固體氬中的波包分裂

3.3.3硅晶體中的波包分裂

3.4小結

第4章納米多晶材料熱導率

4.1三維Voronoi圖建模

4.2納米多晶體材料熱導率模擬

4.2.1GreenKubo法計算熱導率原理

4.2.2納米多晶結構熱導率模擬準則

4.2.3多晶氬熱導率的溫度依賴特性

4.2.4多晶氬熱導率隨晶粒尺寸變化

4.2.5多晶氬中晶界熱阻預測

4.2.6硅納米多晶材料熱導率特性

4.3納米多晶薄膜熱導率模擬

4.3.1多晶薄膜模擬細節

4.3.2多晶薄膜熱導率的溫度依賴性

4.3.3多晶薄膜熱導率的厚度依賴性

4.3.4多晶薄膜熱導率隨晶粒尺寸的變化

4.4小結

第5章非對稱納米結構熱整流特性研究

5.1非對稱硅納米條帶熱整流特性

5.1.1條帶熱導率表征

5.1.2熱整流特性分析

5.1.3聲子透射特性分析

5.2含錐形空腔硅納米薄膜的熱整流特性

5.2.1空腔熱阻計算

5.2.2熱整流特性分析

5.2.3聲子透射特性分析

5.3含三角形孔硅納米薄膜熱整流特性

5.3.1三角形孔熱阻計算

5.3.2熱整流特性分析

5.3.3聲子透射特性分析

5.4小結

第6章結論參考文獻

前言

導師序言一方面，隨著半導體器件的小型化、集成化的發展，電子器件中出現了越來越多的納米結構，如MOSFET等。另一方面材料科學與技術的發展也促成越來越多的納米材料的出現，如超晶格薄膜、多晶材料、納米復合薄膜、納米線、碳納米管以及石墨烯等。在這些納米結構與納米材料中，界面特性深刻影響著納米器件的導熱及熱設計。以碳納米管和石墨烯為例，單根碳納米管及單層石墨烯的熱導率可以高達幾千W/(m·W)，但含有碳納米管以及石墨烯的復合材料的熱導率就立刻下降至常規材料熱導率水平，高熱導率特性消失了，其主要原因就是在納米管及石墨烯復合材料中存在的大量界面限制了碳納米管、石墨烯等高熱導率材料的應用。由此可見，界面導熱特性研究是納米器件及材料設計過程中不可或缺的組成部分，研究納米結構的界面導熱特性十分必要。與此同時，界面熱輸運機理研究屬於目前傳熱和熱物理領域的前沿問題，尤其是其微觀物理機制還處於探索階段，也需要進行深入的研究。鞠生宏的博士學位論文以半導體納米界面導熱特性為研究主題，針對納米電子器件和納米材料的研究前沿問題，具有重要的學術意義。論文對國內外發展動向和研究現狀進行了調研和整理，論文的研究融合了當前研究納米結構界面導熱特性的主要手段，包括理論模型計算、分子動力學模擬、聲子波包模擬、飛秒激光熱反射測量等多種方法，設計了多種典型的納米界面結構，力求在數值模擬以及實驗測量的基礎上深入揭示影響納米結構界面導熱特性的主要因素及物理作用機制。該論文對於納米結構界面導熱特性的研究可以歸納為三個層次。首先，從宏觀的角度研究了界面對於高界密度材料熱物性的影響，這主要涉及納米多晶體材料、納米多晶薄膜材料、納米復合材料的導熱特性研究。其次，作者將重點會聚到單一的界面結構，如納米多晶中的晶界、雙層復合薄膜的界面，通過大量的模擬以及實驗測量，著重分析單一界面的導熱特性及影響因素。後，作者更進一步深入到聲子在界面的頻譜透射特性，通過聲子波包模擬手段從聲子界面的透射角度研究了影響納米結構界面導熱特性的根源。我相信本書的出版一定會促進讀者對納米結構界面導熱特性的認識。導師序言一方面，隨著半導體器件的小型化、集成化的發展，電子器件中出現了越來越多的納米結構，如MOSFET等。另一方面材料科學與技術的發展也促成越來越多的納米材料的出現，如超晶格薄膜、多晶材料、納米復合薄膜、納米線、碳納米管以及石墨烯等。在這些納米結構與納米材料中，界面特性深刻影響著納米器件的導熱及熱設計。以碳納米管和石墨烯為例，單根碳納米管及單層石墨烯的熱導率可以高達幾千W/(m·W)，但含有碳納米管以及石墨烯的復合材料的熱導率就立刻下降至常規材料熱導率水平，高熱導率特性消失了，其主要原因就是在納米管及石墨烯復合材料中存在的大量界面限制了碳納米管、石墨烯等高熱導率材料的應用。由此可見，界面導熱特性研究是納米器件及材料設計過程中不可或缺的組成部分，研究納米結構的界面導熱特性十分必要。與此同時，界面熱輸運機理研究屬於目前傳熱和熱物理領域的前沿問題，尤其是其微觀物理機制還處於探索階段，也需要進行深入的研究。鞠生宏的博士學位論文以半導體納米界面導熱特性為研究主題，針對納米電子器件和納米材料的研究前沿問題，具有重要的學術意義。論文對國內外發展動向和研究現狀進行了調研和整理，論文的研究融合了當前研究納米結構界面導熱特性的主要手段，包括理論模型計算、分子動力學模擬、聲子波包模擬、飛秒激光熱反射測量等多種方法，設計了多種典型的納米界面結構，力求在數值模擬以及實驗測量的基礎上深入揭示影響納米結構界面導熱特性的主要因素及物理作用機制。該論文對於納米結構界面導熱特性的研究可以歸納為三個層次。首先，從宏觀的角度研究了界面對於高界密度材料熱物性的影響，這主要涉及納米多晶體材料、納米多晶薄膜材料、納米復合材料的導熱特性研究。其次，作者將重點會聚到單一的界面結構，如納米多晶中的晶界、雙層復合薄膜的界面，通過大量的模擬以及實驗測量，著重分析單一界面的導熱特性及影響因素。後，作者更進一步深入到聲子在界面的頻譜透射特性，通過聲子波包模擬手段從聲子界面的透射角度研究了影響納米結構界面導熱特性的根源。我相信本書的出版一定會促進讀者對納米結構界面導熱特性的認識。
梁新剛〖〗清華大學航天航空學院[]2017年6月

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第1章緒論半導體納米結構界面導熱特性的分子動力學模擬第1章緒論〖1〗1.1研究背景隨著納米技術的發展，半導體器件的小型化和集成化程度越來越高，單位面積的納米器件功耗越來越大，研究納米尺度的熱量傳遞規律顯得尤為重要和必要。納米材料已廣泛使用於納米器件中，如超晶格薄膜、多晶材料、納米復合薄膜復合薄膜、納米線、碳納米管陣列等。界面廣泛存在於納米材料中，使得界面導熱特性導熱特性成為納米器件熱設計過程中一個不可忽略的影響因素\\[15\\]，目前影響和決定界面導熱特性界面導熱特性的因素和機制還不是十分明了。界面導熱特性一般涉及到界面熱阻界面熱阻的大小、界面熱阻的影響因素及作用機制、界面存在對材料熱物性（如納米多晶材料納米多晶材料熱導率、界面熱整流熱整流現像）的影響機制等。界面熱阻的量級一般很小（約為10-9~10-8 m2K/W），在常規尺度中基本可以忽略不計\\[2, 3\\]；但在納米器件中，由於繫統尺寸往往達到納米量級，器件本身的導熱熱阻也處於10-9~10-8 m2K/W量級\\[2,3\\]，此時界面熱阻與繫統固有的導熱熱阻相當，不可再忽略不計。以碳納米管為例，盡管單根碳納米管的熱導率熱導率可以高達幾千W/mK，但目前利用碳納米管陣列增加復合材料熱導率的嘗試效果均不是十分明顯，主要原因之一就是納米管陣列與基底材料以及納米管之間界面熱阻的存在，在很大程度上限制了碳納米管、石墨烯等高熱導率材料的應用\\[4,5\\]。由此可見，對於納米材料，界面熱阻在總熱阻中占很大部分，有時甚至起主導作用。綜上所述，界面導熱特性研究已成為半導體納米器件設計過程中不可或缺的組成部分。1.2界面導熱特性理論模型目前已有兩個常用理論模型用來預測界面熱阻：聲學不匹配模型（AMM）聲學不匹配模型（AMM）和擴散不匹配模型（DMM）擴散不匹配模型（DMM）\\[6, 7\\]。Khalatnikov\\[6\\]在1952年提出基於聲子反射和透射的AMM模型，用來預測銅和液氦間的界面熱阻。聲學不匹配模型將聲子的輸運簡化為連續波的傳播，而界面作為一個光滑平面來處理，如圖1.1所示，聲子在界面處隻發生鏡面反射或折射，此時界面透射繫數界面透射繫數可由界面兩側材料各自阻抗獲得：ΓAMM=4ZAZB〖〗(ZA ZB)2（11）其中ZA和ZB分別為界面兩側材料A、B的聲學阻抗聲學阻抗，聲學阻抗Z=ρv，其中ρ為材料的密度，v為材料的聲速。聲學不匹配模型在溫度溫度高時預測誤差較大。圖1.1聲學不匹配模型（AMM）示意圖\\[6\\]1989年Swartz和Pohl\\[7\\]基於聲子態密度理論提出了擴散不匹配模型，用來解釋高頻聲子的界面特性。擴散不匹配模型的基本假設是所有聲子在界面處發生漫射散射。如圖1.2所示，入射到界面處的聲子將失去原有記憶，隨即散射至材料兩側，聲子的透過率僅取決於界面兩側的聲子態密度分布。由於界面兩側聲子頻率不同，所以聲子必須經過非彈性踫撞改變其頻率纔能穿過界面，擴散不匹配模型對於長波聲子也不適用。圖1.2擴散不匹配模型（DMM）示意圖\\[7\\]聲學不匹配模型和擴散不匹配模型兩個理論模型在低溫時都能很好地預測界面熱阻，但在高溫時預測結果和實驗吻合不是很好；此外，關於雙層薄膜界面熱阻的分子模擬結果還表明聲學不匹配模型和擴散不匹配模型不能預測原子質量比原子質量比為1時的零界面熱阻\\[8\\]。由此可見，兩個基本模型還存在本質上的缺陷和不足，因此需要進一步發展和完善界面熱阻模型。1.3界面導熱特性模擬計算納米結構界面導熱特性的模擬計算主要包括分子動力學模擬（MD）分子動力學模擬（MD）、聲子波包模擬（PWP）聲子波包模擬（PWP）、聲子格林函數法（AGF）聲子格林函數法（AGF）、晶格動力學方法（LD）晶格動力學方法（LD）、性原理計算（FirstPrinciples）性原理計算（FirstPrinciples）等，本節針對目前使用廣泛的幾種主流方法的基本原理和應用現狀作簡單介紹。近10年來分子動力學方法已被廣泛運用於研究界面的導熱特性\\[4,5,917\\]。與實驗測量方法相對比，分子模擬的方法更廉價、高效，也可以更精確地描述界面結構，如圖1.3構造的硅/碳納米管界面\\[18\\]。除此之外，利用分子動力學模擬方法可以輕易地控制某些變量不變，從而來研究某一個感興趣的物理參數對界面熱阻的影響，排除其他參數對結果的影響。分子動力學模擬界面熱阻的基本思路就是通過在模擬材料中產生溫度梯度，一般在界面處由於熱阻存在會產生相應的溫度降溫度降，如圖1.4所示\\[19\\]，利用此溫度降可計算出界面熱阻大小：Rint=ΔT〖〗qz（12）其中ΔT為界面處溫度降，qz為流經界面處的熱流密度熱流密度大小。通過改變模擬的溫度、壓強、熱流方向、模擬體繫的大小等參數來觀察界面熱阻的影響因素及作用機理。圖1.3硅/碳納米管界面熱阻的分子動力學模擬\\[18\\]圖1.4雙層薄膜界面處典型溫度分布\\[19\\]目前關於界面熱阻的分子動力學模擬主要涉及以不同材料構成的復合納米薄膜（納米線）界面\\[812\\]、多晶材料中晶界\\[1417\\]、碳納米管間以及碳納米管與其他材料結合時的界面\\[4, 5\\]。關於復合薄膜（線）界面熱阻目前已經做了大量模擬研究，且得到了許多統一的結果，如界面熱阻的量級一般為10-9~10-8 m2K/W，界面熱阻隨著界面溫度的升高而降低\\[811\\]等。Hu等\\[20\\]研究了固體硬度、溫度以及化學鍵強弱對界面熱導界面熱導的影響。Abramson等\\[21\\]考察了含有應力的界面影響熱流傳遞的現像。Zhong和Lukes\\[5\\]研究了碳納米管間的界面熱阻並發現加強管管之間的接觸可以顯著地降低界面熱阻。在常規分子動力學模擬方法廣泛應用於界面導熱特性計算的同時，Schelling等人\\[16,20,2232\\]提出了一種稱作為聲子波包模擬的方法，這是一種將常規的分子模擬方法和波包相結合的模擬過程，基本思路就是構造一個能沿著界面垂直方向運動的聲子波包信號，聲子波包在遇到界面會發生不同情況的透射和散射，這樣可以很形像、直觀地觀察到不同頻率的聲子在界面處的透射和反射過程。如圖1.5所示，可以看出，聲子波包經過界面部分透射到界面另一側，而其餘則被反射回原材料中。同時根據透射和散射前後界面兩側能量的變化可以得到界面的透射率及反射率，這在常規的分子動力學模擬中無法做到。利用聲子波包模擬方法，通過改變預設的頻率，可以深入研究不同頻率的聲子在不同界面的透射及散射特性，部分研究報道如表1.1所示。圖1.5基於聲子波包模擬計算界面透射繫數示意圖\\[22\\]〖=G〗表1.1界面聲子透射特性研究〖=G1〗時間/研究者〖〗研究對像〖〗研究方法〖〗主要結論2002/Schelling等\\[22\\]〖〗Si/虛擬Si〖〗聲子波包模擬〖〗聲子透射率與頻率有關，隨著頻率增加透射率減小；且低頻時無論是縱向聲學支（LA）還是橫向聲學支（TA），聲子界面透射特性與聲學不匹配模型相吻合2003/Mingo,Yang\\[33\\]〖〗硅納米線〖〗原子格林函數〖〗研究了表面無序材料對納米線熱量輸運的影響，表面無序材料與納米線作用鍵增強時，聲子透射率增加2006/Becker等\\[26\\]〖〗Si/Ge超晶格納米線界面〖〗聲子波包模擬〖〗透射率依賴於納米線直徑，聲子頻率，以及納米線結構對稱性2006/Kondo等\\[28\\] 〖〗帶缺陷碳納米管〖〗聲子波包模擬〖〗隨著納米管徑的減小，聲子在缺陷處的散射起主導作用，對於高頻聲子尤為明顯；聲子波包結果與格林函數結果吻合2008/Yao等\\[31\\]〖〗摻雜硅〖〗聲子波包模擬〖〗透射率取決於入射聲子頻率、摻雜濃度、雜質原子質量2009/Hu等\\[20\\]〖〗硅/無序聚乙烯界面〖〗分子動力學模擬聲子波包模擬〖〗縱向聲學支的聲子透射率要比橫向的大；AMM和DMM模型均無法描述單個頻率聲子在硅/無序聚乙烯界面處的透射特性〖=XB〗時間/研究者〖〗研究對像〖〗研究方法〖〗主要結論2010/Huang等\\[34\\]〖〗石墨烯納米條帶納米條帶〖〗原子格林函數〖〗摻雜C原子後會引起聲子透射特性及熱導下降，透射率與條帶邊界形狀有關2011/Zhang等\\[35\\]〖〗一維原子鏈一維原子鏈〖〗邊界散射法〖〗對於雙節點的原子鏈，聲子透射率隨著頻率振蕩，同時證明了邊界散射法與原子格林函數在一維原子鏈計算中的一致性〖=X〗盡管聲子波包模擬方法已在納米結構輸運特性研究中得到逐步應用，但該方法本身也存在一些不足，如隻能模擬沿界面垂直方向傳播的聲子在界面的透射和散射；所模擬的溫度隻能接近於0K，否則波包信號會埋沒在雜亂無章的原子振動信號中，無法實現預期的模擬。因此還需要對波包模擬方法進行進一步改進和拓展。近幾年原子格林函數方法逐漸被用來研究聲子在界面處的透射特性。格林函數法原先用於研究電子的輸運特性，鋻於聲子與電子的相似性，格林函數法逐漸被拓展用來研究聲子輸運特性。為了研究一個納米結構繫統的熱輸運性質，通常將繫統分成三個部分，如圖1.6所示\\[36\\]：半無限長的左接觸段（包含LCB和LC），中心器件（包含LD、D和RD）和半無限長的右接觸段（包含RC和RCB）。LC包含了左接觸段中與器件相互作用的原子，而LCB中所有的原子則是與器件完全沒有相互作用的原子，因此LC和LCB兩部分的動力學特性有所不同，RC和RCB的劃分與此類似。LD和RD則包含了所有器件中與左接觸段和右接觸段相互作用的所有原子，D中所有的原子則與左右接觸段沒有任何相互作用。計算過程中，隻需通過分別計算各段的動力學矩陣以及格林函數矩陣，界面的聲子透射繫數便能求出。圖1.6原子格林函數計算繫統示意圖\\[36\\]原子格林函數能夠很方便地求解界面聲子能量透射率，從而為計算界面熱導、聲子態密度等熱物理參數提供可能。需要指出的是，原子格林函數的運用是基於一定的假設條件：①聲子為彈道輸運，也就是說單獨的器件對於聲子是完全透明的，在器件內部不發生任何散射。這種假設隻有在器件的尺寸與聲子的波長相當或者小於聲子波長時成立。②繫統必須簡諧，也就是說沒有聲子的U過程U過程散射，這個假設隻在零度時纔成立。盡管原子格林函數能夠有效處理邊界以及界面的聲子散射，在研究納米器件能量輸運特性方面取得了一些進步，並可直接應用到大尺度模擬，但其還存在很多提高的地方，如需加入非彈性的聲子間散射，考慮聲子和電子間相互作用等。當模擬繫統增大時，原子格林函數的計算量也將急劇增加。除了上述分子動力學模擬、聲子波包模擬、原子格林函數研究納米結構界面導熱特性外，也有一些其他方法來模擬計算界面導熱特性，如1989年Young和Maris\\[37\\]利用晶格動力學方法，通過對聲子的傳輸繫數和群速度進行數值計算，得到了穿過界面的聲子譜密度，從而求解得到界面熱阻。Zhang等人\\[28\\]利用邊界散射法計算了一維原子鏈中的聲子透射率繫數，驗證了邊界散射法與原子格林函數法計算結果完全吻合。盡管關於納米結構界面導熱特性已有不少的研究，但是不同研究者和不同研究方法得到的結果間還存在不少差異，缺乏對比。目前已有的界面熱阻模型還存在缺陷，其根本原因是對影響界面熱阻的各種因素和機制了解得還不透徹。在研究中如何通過結合分子動力學模擬、聲子波包模擬、原子格林函數求解等手段，利用各自方法的特點來綜合研究納米結構界面導熱特性仍有待進一步研究。1.4界面導熱特性實驗測量在對界面導熱特性應進行分子動力學、聲子波包模擬研究的同時，研究者對納米結構界面導熱特性也進行了相關實驗研究，測量方法主要包括焦耳加熱法、激光閃光法、3ω法、皮秒/飛秒熱反射法，如表1.2所示。Goodson等\\[47\\]利用焦耳加熱法測量了金剛石薄膜和硅基體之間的界面熱阻，發現隨著薄膜厚度薄膜厚度的增加，界面熱阻不斷增加，但增加的速率會不斷減小。由於測量微橋的存在，測量得到的結果是金剛石與金屬以及金剛石與硅基體兩個界面總熱阻。焦耳加熱法操作簡單、容易控制、計算方便，但是不能將兩個界面熱阻分離。Lee和Cahill\\[38\\]用3ω法測量了在78~400K溫度下，厚度為20~300nm的SiO2和SiNx薄膜與硅基體之間的界面熱阻，其量級約為2×10-8m2K/W，相當於20nm厚度SiO2的導熱熱阻。當薄膜厚度大於50nm時，SiO2和SiNx復合薄膜的熱導率會由於界面熱阻的存在而隨著薄膜厚度增加而減小。3ω法是瞬態加熱，適合於非平衡態條件，具有設備簡易，操作簡單以及準確性高等優點，但是容易受到電阻的干擾。Kading等\\[48\\]通過熱生成和化學氣相沉澱的方法在硅基體表面生成了20~200nm厚度的SiO2，在室溫下采用激光閃光法測量了SiO2與Si基體之間的界面熱阻，由於金屬反射層的存在，測得的也是薄膜的體熱阻和兩個界面熱阻（SiO2與金屬，SiO2與Si基體）的總和。〖=G〗表1.2界面熱阻實驗測量研究〖=G1〗時間/研究者〖〗測量對像〖〗測量方法〖〗主要結論1997/Lee, Cahill\\[38\\]〖〗SiO2/SiSiNx/Si〖〗3ω法〖〗當薄膜厚度大於100nm時，熱導率隨厚度基本不變；當薄膜厚度小於50nm時，熱導率隨厚度減小而減小2003/Costescu等\\[39\\]〖〗TiN/MgOTiN/Al2O3〖〗熱反射測量〖〗測量界面熱阻結果與晶格動力學、DMM模型預測結果一致2005/Gundrum等\\[40\\]〖〗Al/Cu〖〗熱反射測量〖〗測量得到界面熱阻為2.5×10-10 m2K/W，DMM模型可以預測2007/Xu等\\[41\\]〖〗Au/SiO2Au/Al2O3〖〗焦耳加熱及熱反射測量〖〗采用含界面熱阻的一維雙層薄膜模型，測量得到的界面熱阻：（10~110）×10-8 m2K/W2007/Hopkins等\\[42\\]〖〗Al/Al2O3〖〗熱反射測量〖〗界面熱導隨溫度升高而增大，多聲子間的散射對界面熱導貢獻2008/Kato, Hatta\\[43\\]〖〗SiO2/SiAu/SiO2〖〗熱反射測量〖〗界面熱阻與界面制備方式有關，濺射法生成的Au/SiO2界面熱阻為20×10-9 m2K/W，而蒸發法沒有明顯的界面熱阻〖=XB〗時間/研究者〖〗測量對像〖〗測量方法〖〗主要結論2008/AlvarezQuintana, RodriguezViejo \\[44\\]〖〗SiO2/αGe/Si〖〗3ω法〖〗測量了不同溫度下SiO2/αGe/Si界面熱阻，在300K時，測量值為2×10-8 m2K/W，DMM模型的預測結果與實驗測量值有些偏離2010/Koh等 \\[45\\]〖〗Au/Ti/石墨烯/SiO2〖〗熱反射測量〖〗石墨烯導致界面熱導降低2010/Zhu等\\[46\\]〖〗Al/SiO2〖〗時域熱反射法以及頻域熱反射法〖〗測量了不同薄膜厚度時的界面熱阻，發現當SiO2薄膜厚度增加時，Al/SiO2的界面熱導會增加，而SiO2/Si的結果則相差不大〖=X〗圖1.7飛秒激光熱反射測量繫統示意圖\\[49\\]飛秒激光熱反射法是近幾十年來流行並發展日漸成熟的方法之一，逐漸成為納米器件熱物性測量的有力手段。飛秒激光熱反射繫統一般包括：飛秒激光器、加熱光路加熱光路、探測光路探測光路、鎖相放大器、數據采集及處理繫統\\[49\\]，如圖1.7所示。其測量的基本原理是由飛秒激光器發射一個飛秒級的激光脈衝，經過分光後，一束作為加熱光路，用來加熱納米薄膜表面；另一束則作為探測光路，用來探測薄膜表面的溫度變化。根據加熱和探測方式的不同，該測量方法又分為前表面加熱後表面測量，或者前表面加熱前表面測量兩種基本形式。Stoner和Maris\\[50\\]利用熱反射法測量了50~300K時金屬Pb/Au/Al/Ti與基體BaF2/藍寶石/金剛石間的界面熱阻，得到的界面熱阻誤差在10%~20%範圍內，並與晶格動力學的結果進行比較，吻合情況較好。Kato和Hatta\\[43\\]利用熱反射法技術測量了二氧化硅薄膜和硅基底之間的界面熱阻，發現沉積方法對於界面熱阻的大小有著很大的影響。利用飛秒激光熱反射繫統測量熱物性時，常常需要將比熱容作為已知參數，擬合得到待測熱導率值，熱導率的測量精度在很大程度上取決於給定的比熱容大小。此外，很多測量的納米材料在測量時沒有確定的比熱容，如何能夠得到可靠的熱物性參數仍有待摸索和改進。1.5界面導熱特性對納米材料熱物性的影響〖*1〗1.5.1納米多晶材料熱導率隨著納米技術的發展，多晶材料的晶粒尺寸晶粒尺寸已達到納米量級，並且在微電子、航空航天、新能源等多個領域得到了廣泛的應用\\[5153\\]。在多晶材料晶粒尺寸達到納米尺度以後，往往會表現出與單晶材料明顯不同的物理性質，包括力學特性、熱物性等。在熱電材料領域，為了得到更大的熱電優值繫數，往往需要采用熱導率很低的熱電材料，而納米多晶材料則是比較理想的選擇之一\\[51\\]。在航空航天領域，熱障塗層被廣泛使用，其關鍵技術就是熱障塗層材料的熱絕緣性及穩定性\\[52\\]。多晶的陶瓷類材料由於其熱導率低，具有很好的熱絕緣性，而被廣泛使用。在新能源領域，納米多晶硅薄膜則被廣泛用來制作太陽能電池\\[53\\]。綜上所述，研究納米多晶材料的熱物性具有重要的實際應用意義。Inyushkin等\\[54\\]根據Callaway理論擬合了用來預測多晶CVD金剛石熱導率的計算模型，其中考慮了三聲子作用、邊界散射、點缺陷及晶界等引起的散射影響。Uma等\\[55\\]在考慮松弛時間等參數的基礎上，通過求解Boltzmann方程計算了室溫下多晶硅薄膜的熱導率。Zhang等\\[56\\]利用直接電加熱的方法測量了厚度從15~63nm的多晶鉑薄膜的熱導率，發現多晶鉑的熱導率遠低於塊材的熱導率。Soyez等\\[57\\]利用3ω方法測量了平均晶粒尺寸從10~100nm的多晶釔穩定氧化鋯薄膜的熱導率，發現多晶薄膜的熱導率降為體材料的1/3。理論分析和實驗方法研究多晶材料熱導率有局限性，理論分析研究的對像往往比較理想，如不考慮材料缺陷或者所含雜質，有待實驗驗證；而實驗由於代價昂貴、影響因素復雜等特點，使得實驗研究隻能局限於特定的範圍。

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