微纳米薄膜导热系数的理论及实验研究

摘要

本文利用实验手段对超晶格薄膜等微结构中的热传导进行了研究，并对实验结果进行了理论分析。采用3ω方法在100-320K温度范围内测试了不同周期长度的InGaAs/InGaAsP超晶格薄膜的导热系数，并从理论上对测试结果进行了解释。 测试结果表明，随着温度的升高，超晶格结构的热传导能力有所下降，但并不像传统晶体材料那样明显，说明在高温段，对于周期性微结构，决定声子传热能力的已不再仅仅是U散射，合金散射和界面散射也起到了很重要的作用。 比较周期长度不同的超晶格结构的测试结果，发现导热系数会随着周期长度的增大而减小，在某一周期长度取得最小值，但随着周期长度的进一步增大，导热系数出现上升，表明在长周期超品格结构中界面热阻是影响声子传输的主要因素。理论计算表明，对于短周期的超晶格结构，Bragg反射是造成最小值产生的原因之一，由于声子穿透率的下降，造成导热系数随着周期长度的增大而减小． 通过对比Si/Ge超晶格薄膜与本文测试的lnGaAsP/InGaAs超晶格薄膜导热系数最小值出现的位置，得出结论：声阻不匹配(Acoustic Impedance Mismatch，AIM)程度是决定声子在超晶格材料的众多界面中散射的重要因素，进而间接地影响着声子在该材料中的平均自由程(Mean Frec Path，MEP)。 理论与实验研究结果表明，随着周期长度的增大，声子的传输规律由声子的波动性过渡到粒子性，这对实现声子的剪裁具有重要意义，为设计超晶格结构提供理论基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2文章结构

第二章实验方法综述及研究现状

2.1实验方法综述

2.1.1稳态光加热法

2.1.2瞬态光加热法

2.1.3稳态电加热法

2.1.4瞬态电加热法

2.2薄膜导热系数测试的研究现状

第三章3ω实验方法

3.1经典3 ω方法

3.2测试薄膜的3ω方法

3.3样品的制作

3.4实验台搭建及实验过程

3.5实验台的标定

第四章InGaAs/InGaAsP超晶格薄膜导热系数测试

4.1测试结果

4.2理论分析

4.2.1导热系数与温度的关系

4.2.2导热系数与超晶格周期长度的关系

4.2.3导热系数最小值与声子平均自由程的关系

4.3误差分析

4.3.1随机误差

4.3.2系统误差

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文