微纳米薄膜热传导性能的实验研究

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设计、制造MEMS器件(如微机械传感器、微执行器等)时,由于微米和纳米级薄膜具有与体态材料相比较为特殊的物理特性,从而成为重要的功能材料。尤其在热电性能方面,声子在薄膜传热过程中表现了量子效应与边界效应。目前,多层超晶格薄膜与掺杂纳米颗粒的单层薄膜研究较为广泛。本文重点研究掺杂金属Ag纳米颗粒的SiO2薄膜的传热特性,测试在不同温度、不同掺杂浓度下导热系数的变化,希望通过测试结果为改善热电器件的工作效率与可靠性提供帮助。 在对薄膜导热性能的研究中,SiO2薄膜作为微电子器件的绝缘层和钝化层间的过渡层成为重要的研究对象。本文第一部分介绍了MEMS的发展和微、纳米薄膜热传导性能的研究现状,并对微、纳米薄膜的制备方法和导热系数的测量技术进行了归纳总结;第二部分介绍了声子在纳米薄膜中的传输理论与测试方法原理;第三部分采用3ω实验方法在300K~360K温度范围内测试了掺杂不同浓度的金属Ag纳米颗粒的Ag/SiO2纳米薄膜的导热系数。Ag/SiO2纳米薄膜采用多靶磁控溅射技术制备,其中分散颗粒的体积分数分别为2.0%、2.5%、3.3%和5%,平均直径为10nm~30nm,膜厚约为500nm。测试结果表明,掺杂了金属Ag纳米颗粒的SiO2纳米薄膜,在300K~360K温度范围内其导热系数随着温度的升高而增大,这种趋势与集成电路中使用的SiO2薄膜是一致的,但前者的导热系数要高于后者,并且其导热系数随着掺杂浓度的升高而增大。掺杂后导热系数,特别是相对高温时(360K),导热系数要比现有的SiO2薄膜高了近176%,对进一步提高微电子器件的散热性能有积极的意义。
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