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1、氮化硅纳米薄膜非平衡热导率的实验研究马连湘作者简介：马连湘（1962-），男，河北南宫人，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505信箱。Email:dzlqust@126.com电话：0532-88959059,段占立*,何燕,李海涛(青岛科技大学机电工程学院,青岛,266061)摘要：根据3ω方法测试原理,搭建了薄膜导热系数测试平台.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,并且分别测试低频率段和高频段的氮化硅薄膜、基底的温升及薄膜热导率。测试结果表
2、明:Si3N4薄膜的热导率随温度的升高而增大；高频段下，热导率受频率影响大，误差大；在低频段下薄膜热导率与频率变化基本无关；基于电子与声子的局部热平衡运输方程假设，Si3N4薄膜的热导率具有极度非平衡性；通过比较电阻、热导率与温度的关系可以看出加热器的尺寸大小会影响薄膜的热导率，通常情况下加热器的宽度选用20mmand24mm。关键词：氮化硅薄膜；热导率；非平衡；3ω方法TheexperimentalstudyofNone-equilibriumthermalconductivityofsiliconnitridenanothinfi
3、lmMALian-xiang,DUANZhan-li,HEYan,LIHai-tao(CollegeofElectromechanicalEngineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266061)Abstract:Anexperimentaldevicewassetupbasedontheprincipleof3ωmethod.The3ωexperimentalmethodisaninstantmeasuringmethodforthermalconductiv
4、ityofthinfilm.ThetemperatureriseofSi3N4thinfilms,basaltemperatureriseandthethermalconductivityofthinfilmunderlowandhighfrequencystageweremeasuredwiththismethod.TheresultsindicatethatthethermalconductivityofSi3N4thinfilmincreaseswiththeincreaseofthetemperature；thefrequen
5、cyhasapparenteffectonthethermalconductivity，largetoleranceunderhighfrequencystage；Thebaseoftheassumptionofelectronandphononlocalthermalequilibriumunderlyingthetransportequationsinnanostructures,thethermalconductivityofSi3N4hasextremenone-equilibrium；Withcomparisontherel
6、ationshipbetweendifferentmicro-heaterresistance,thethermalconductivityandtemperature,theoptimalwidthofmicro-heateris20mmand24mm.Keywords:Si3N4thinfilm；thethermalconductivity；non-equilibrium；3ωmethod；氮化硅（Si3N4）薄膜的研究开始于上个世纪60年代，是一种重要的精细陶瓷薄膜材料,被广泛应用于微电子工业、光电子工业、机械工业、汽车工业、化
7、工等行业[1-5]。其中氮化硅薄膜的性能应用特别是导热性能目前已成为了研究热点。传统的热力学以研究平衡态为主。量子理论指出：薄膜结构中电子与声子的6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[6]。为了满足最低能量的条件，要求结构的特征尺寸要接近或大于热载体的平均自由程。然而在纳米薄膜结构中不遵守这种平衡条件[7]，其能量传输也具有高度不平衡性。在过去的几十年里,人们发展了多种试验方法来测试薄膜材料的导热特性。相对于其他薄膜导热性能测试方法而言,3ω方法[8-9]是一种瞬态测量方法,它利用温度频率的变化来确定材料的导
8、热系数,能有效地降低热辐射影响和保持热流密度的稳定,提高测试的速度和精度，现已成为薄膜导热系数测量的首选技术。本文采用改进的3ω实验方法对氮化硅纳米薄膜的导热系数进行了测试研究,并分析了其非平衡热导率的变化规律。13ω测
