二氧化硅纳米薄膜非平衡热导率研究

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1、二氧化硅纳米薄膜非平衡热导率研究马连湘,王向宁收稿日期：2008-03-05作者简介：马连湘(1962—)，男，教授，博士生导师，主要从事材料的热物理性能及轮胎温度场的分析研究.*通讯联系人.地址：青岛科技大学东部校区558＃信箱.Email：w_xiangning@163.com.电话:0532-88959059.,段占立,王泽鹏,何燕摘要：二氧化硅纳米绝缘薄膜的传热是靠声子在薄膜的振动实现的。声子在纳米薄膜结构中传输的非平衡性影响了薄膜的热导率。3ω实验方法是一种可以对薄膜热导率进行瞬时测量的方法。本文采用3ω方法分别测量低频率段和高频

2、段的二氧化硅薄膜温升及二氧化硅薄膜的热导率，对二氧化硅薄膜的非平衡热导率进行了分析。关键词：纳米薄膜；热导率；非平衡PACC：6146；7430F；0570L中图分类号：TH74文献标识码：ATheStudyofNonequilibriumThermalConductivityofSiliconDioxideNanoFilmXiangningWang,LianxiangMa,ZhanliDuan,ZepengWang,YanHeAbstract:Theheattransferofinsulationsilicananofilmrelieso

3、nthephononvibrationinfilm.Thethermalconductivityofthefilmiseffectedbythenon-equilibriumofphononvibrationinfilmstructure.Theexperimentalmethodisaninstantmeasuringmethodforthermalconductivityofthinfilm.Theexperimentalmethodisusedtomeasurethetemperatureriseandthethermalconduc

4、tivityofsilicathinfilminlow-frequencystageandhigh-frequencystage.Thenon-equilibriumthermalconductivityofsilicathinfilmisanalysed.Keywords:nanofilm;thethermalconductivity;non-equilibrium1、引言硅和二氧化硅广泛应用于微电子技术和大规模集成电路领域，随着芯片工业的发展，人们发现利用SOI(Silicononinsulator)材料制备集成电路能进一步提高芯片的运

5、行速度、集成密度和降低芯片的功耗[1]。SOI是绝缘层上的硅材料，即硅上面是一层绝缘层，这层绝缘层一般是采用氧化方法而形成的二氧化硅薄膜，显然，研究硅和二氧化硅薄膜材料的热导率具有很现实的意义。对于薄膜热导率过去十年中已广泛研究，纳米薄膜结构中电子与声子的输运特点表现为边界效应和偏离大尺度下的局部热平衡运输方程假设[2]。电子和声子在纳米薄膜和超晶格结构中的运输是非平衡的，而传统的运输法则如热传导的傅立叶法则、电流的欧姆法则，都基于偏离平衡状态很小（即局部平衡）的条件下。局部平衡的建立需要满足最低能量的条件，即结构的特征尺寸要与热载体的平均

6、自由程接近或大于热载体的平均自由程。而在纳米结构中不遵守这种平衡条件[2]，其能量传输是高度不平衡的，例如硅片热传递的声子平均自由程为。如何测试纳米薄膜的非平衡热导率是研究纳米材料热物性的一个重要方面。本文采用3ω实验方法对二氧化硅纳米薄膜的导热系数进行了测试，并分析了其非平衡热导率的变化规律。2、3ω实验原理1994年，Cahill[3]提出了测试电解质薄膜法向（out-of-plane）导热系数的方法，随后该方法得到了广泛的应用，并被改进，使之可以同时对薄膜法向和面向（in-plane）导热系数进行测试。这种方法是一种瞬态加热法，可以在

7、不同的边界条件下对薄膜的导热系数进行瞬时测量。3ω方法由于设备简易，操作简单，以及准确度较高等优点得到了广泛的应用。图13ω实验样品示意图如图1所示，采用标准的光刻和剥离技术将一根金属线蒸镀到样品表面，该金属线同时作为热源（微加热器）和温度传感器，起到加热和测温两个作用。当角频率为ω的电流通过微加热器时，微加热器中将产生角频率为2ω的焦耳热，并引起微加热器的温度也以角频率2ω振荡。（1）待测材料的温度变化为：（2）式中，，分别为金属加热器两端频率为和的电压；R，分别为金属薄膜的平均电阻和温度变化；为金属薄膜电阻与温度的关系。薄膜的导热系数可

8、由下式得到：（3）其中、分别表示在两种不同频率下测得的3ω电压3、实验系统及测量图2实验测试系统示意图图3二氧化硅样品图建立了如图2所示的测试系统,其中薄膜样品及微加热器如图3所