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亚微米薄膜导热特性的研究

白素媛  
【摘要】: 薄膜广泛应用于信息、微电子、光电子、航天等领域,其导热性能的好坏直接影响器件和系统的稳定性和可靠性。由于微尺度效应,薄膜的导热特性与宏观材料相比有很大不同,开展亚微米薄膜导热特性的研究不仅有利于科学指导工程热设计和热管理,而且对于发展材料制备技术及促进微尺度传热理论的发展都具有十分重要的价值。 搭建了一套适用于测试亚微米薄膜导热系数的瞬态热反射实验系统,分析了实验方法中的传热模型及确定了数据处理过程和方法,并根据主要的测试影响因素对实验系统进行了优化。在用SiO2薄膜验证了该实验系统可靠性的基础上,测试了室温下电介质薄膜Al2O3和Si3N4、硬质薄膜DLC及两种复合相变薄膜Ta2O5掺杂的GST、N掺杂的Sb2Te3的导热系数。厚度330-1000 nm的Al2O3薄膜的导热系数未表现出厚度依赖关系,平均值为3.3 Wm-1K-1;厚度37-200 nm的Si3N4薄膜的导热系数为1.24-2.09 Wm-1K-1,随膜厚减小而减小,厚度低于100 nm时,这种效应更加明显;100 nm厚的DLC膜,由于沉积偏压不同,导致薄膜微结构不同,因而有效导热系数不同;Ta205掺杂的GST和N掺杂的Sb2Te3两种纳米复合薄膜,掺杂物的引入抑制了薄膜晶粒的生长,使晶粒变小,晶粒间散射加剧,导热系数降低,有利于降低PCRAM器件的功耗。 使用COMPASS力场,采用非平衡分子动力学方法预测了厚度2-6 nm非晶碳薄膜和金刚石薄膜在温度为100-1000 K范围的导热系数。非晶碳薄膜的导热系数在2.68-4.82Wm-1K-1范围,金刚石薄膜的导热系数在12.47-60.03 Wm-1K-1范围。模拟结果表明:在所计算的厚度范围内,晶体薄膜和非晶薄膜的导热系数随薄膜厚度减小而减小,呈现出明显的微尺度效应;在所计算的温度范围内,非晶碳薄膜的导热系数随温度增高而变大,但温度高于400 K时,这种变化趋势趋缓,而金刚石薄膜导热系数温度依赖关系与体材料不一致,并且与薄膜厚度有关。 对薄膜导热的微尺度效应进行了初步的理论分析,边界散射、微结构和界面热阻是导致薄膜导热系数的减小的重要因素。实验测试中薄膜导热系数所表现出的微尺度效应,主要是受到薄膜微结构的影响,厚度较薄的薄膜,界面热阻发挥了较大的作用。模拟的薄膜导热系数的微尺度效应是由于边界散射发挥了主要作用。 本文通过实验测试和分子动力学模拟得到了几种重要的亚微米薄膜的导热系数,直接为器件的热管理和热设计提供了重要参数;同时还研究了薄膜厚度、制备方法、制备条件以及掺杂退火等情况对薄膜导热特性的影响,为薄膜材料制备提供了有益的参考。


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