1、学术型硕士研究生学位论文选题报告及工作计划课 题 名 称 二维材料界面热阻的研究与调控 学 号 研 究 生 专 业 凝聚态物理 所 在 院 系 物理科学与工程 导 师 副 导 师 选 题 时 间 2016 年 11 月 21 日同济大学研究生院年 月 日TONGJI UNIVERSITY11研究问题 21）在预研究的基础上提出应用研究（设计）中的科学问题.2）课题来源、选题依据和背景情况3）课题的研究目标以及理论意义和实际应用价值1）在预研究的基础上提出应用研究（设计）中的科学问题.随着科学技术的不断革新进步，电子产品逐渐成为我们日常生活必不可少的一部分，随着电子产品的轻便化和小型化，对电子元
2、器件的散热问题提出越来越高的要求，怎么能提高散热？热量在微纳米尺度的二维材料是如何传递？2）课题来源、选题依据和背景情况在这个信息化的时代，人们对电子产品的小巧轻便提出越来越高的要求，然而微纳米材料的元器件散热问题一直制约半导体工业发展。所以寻找高热导材料，了解微纳米二维材料间传热机制，提高散热是本课题研究的重点。我们知道集成电路的散热分为二个过程，第一是单个晶体管产生热量扩散到封装外壳，第二是由封装外壳经过多种介质扩散到环境中。这其中最重要的一个步骤就是各介质之间的界面热传导问题。这也就是我的课题要研究的问题，就是研究不同材料间界面热导问题，如目前研究最热的材料氮化硼与石墨烯。我采用的测量方
3、法是使用易于上手操作的 方法。33）课题的研究目标以及理论意义和实际应用价值本课题研究目标是研究二维材料间热量传导与调控，以提高微纳米材料的散热问题。本课题理论意义是用3w方法研究二维材料在法线方向如何传导以及不同界面对界面热阻的大小的影响。本课题的实际应用价值是微纳米元器件散热问题一直阻碍电子工业的进一步发展，寻找高热导材料、提高二维材料界面散热与电子器件未来发展关系密切，具有广阔应用前景。2文献综述（文献综述不得少于 2000 字）51）国内外在该研究方向的研究现状及发展动态2）研究问题在本研究领域应用上的地位与价值 1）国内外在该研究方向的研究现状及发展动态在这个电子信息化的时代，人们对
4、电子产品的小巧轻便提出越来越高的要求，然而微纳米材料的元器件散热问题一直制约半导体工业发展。所以寻找高热导材料，了解微纳米二维材料间传热机制，是海内外科研工作者共同的追求。我们知道集成电路的散热分为二个过程，第一个过程是单个晶体管产生热量扩散到封装外壳，第二个过程是由封装外壳经过多种介质扩散到环境中。这其中最重要的一个步骤就是各介质之间的界面热传导问题。这也就是我的课题要研究的问题，就是研究不同材料间界面热导问题，如目前研究最热的材料氮化硼与石墨烯。在 2013 年王蕾在科学杂志发表了一篇关于如何转移三明治结构二维材料的方法（氮化硼-石墨烯-氮化硼） ，由于我要研究的是关于二维材料薄膜之间界面
5、热阻的研究与调控，1所以在我制备不同薄膜组合的样品就需要用到王蕾的这种制备样品的方法。首先是在硅片上剥离寻找符合要求的氮化硼石墨烯样品，接着用 PPC（poly propylene carbonate 聚碳酸亚丙酯）旋在氮化硼样品表面，用 PDMS 将 PPC 连同氮化硼一块粘下来，置于玻璃片一端，接着讲石墨烯样品放在显微镜载玻台上，使用转移平台借助显微镜将氮化硼与石墨烯结合，由于氮化硼对石墨烯的粘力大于硅片对石墨烯的粘力所以氮化硼会将石墨烯吸在玻璃片下方，接着用另一块氮化硼样品放在载玻台上，用同样的步骤将氮化硼石墨烯结构转到另一块氮化硼上。我采用的测量方法是使用易于上手操作的 方法。这种方法
6、是使用单独元件同时作为3加热器与温度传感器，根据加热电阻的频域特性可知基底或待测薄膜热导率等热物性。法测热导率，都是在样品上制备一定形状厚度的金属膜，通入 交流电，金属膜有内3 1阻就会产生 的温度变化，而待测样品电阻与温度变化是线性变化，故金属膜电阻变化也2是以 的频率变化。所以最终金属膜在频率为 交流电流与频率为 的电阻变化共同作12用会产生频率为 的电压信号，电压信号可用锁相放大器提取出。因这个三倍频信号只与3热作用有关，通过测量 的电压信号，再经过一些理论近似和推理得出电压三次谐波信号与待测热导率关系即可求得待测样品热导率。方法是目前来说测量块体材料、薄膜热导率较有效的方法，但这样方法
7、会把样品理3想化。例如，从上述文献中我们可知，基本不考虑加热膜对实验结果产生的影响。而实际6上，加热膜本身具有一定热容，当通入交流电流进行加热时，金属膜会吸收部分热量。高温下金属膜与样品接触热阻很小，可忽略不计；低温下，金属膜与样品的接触热阻随温度降低而升高，而且加热膜自热在低温环境下影响也较大。在 方法理论推导中，是忽略这3部分热量的。也就是说，在高温情况下，理论推导基本与实际热量传导一致；但在低温情况下，加热膜所产生的温度梯度是不可以忽略的，理论推导就有一定误差。目前关于低温系统用 方法测量样品热导率的文章很少，我们就这一研究空缺进行一些测量。3以前技术不发达，三倍频电压信号很小为一倍频电
8、压信号的千分之一左，无法将一倍频电压信号去除。直到锁相放大技术的发展，才得以将三倍频电压信号提取出来， 方法3测量材料热物性也得到了进一步发展。Holland 等通过理论计算发现线状交流加热器产生1的三倍频电压信号只与基底热物性有关，与电学性质无关。Cahill 对 方法测量块材4,3热导率进行说明及推广。指出理论上线性加热源产生温度梯度与频率关系曲线中可知道块材样品热导率。Lee 跟 Cahill 共同提出求差 法，可测量基体表面单层薄膜热导率。当5 3厚度大于 100nm 时，二氧化硅热导率基本不随厚度改变；厚度小于 50nm 时，热导率随厚度增大而增大。随后，后人对 方法进一步研究后发现
9、，利用此方法可同时测量薄膜法向、3界面热导率。Borca-Tasciuc 等使用不同宽度加热膜测量晶体各向异性的热导率；利用归7一化方法，针对下表面绝缘、有限厚度等情况，给出了用斜率- 法测量材料热物性的适3用条件。当加热金属膜宽度远大于薄膜厚度时，热量经过薄膜时可认为是一维传导，测量薄膜的热导率基本为薄膜法向热导率；而当金属加热膜宽度较窄时，法向传导、面内热导率都对测量结果产生影响，测量结果是各种热物性的综合，所测热导率有一定误差。以上所述文献都是传统测量薄膜热导率的方法，频率所选取范围基本在几千赫兹以内。而实际上，加宽频率测试选取范围，不但能提高单层薄膜法向空间分辨率，还能测量多层膜热物性
10、。除了以上所述测量块材、薄膜热导率内容，Talor 等把 推荐为测量微孔123热障涂层三种有效方法之一。目前，该方法在丝状材料 、纳米孔隙新型材料或涂层713、激光晶体 和液体 的热性能表征等方面有了应用。218 23 2642）研究问题在本研究领域应用上的地位与价值在我们日常生活中，我们已经离不开热与电，电能的利用与改进远远超过热能的利用与改进，随着科技的崛起，热能的利用与改进成为科学研究的必经之路。在微纳米尺度下7材料的热扩散率、热导率、比热容等参数的表征和测量是研究微纳米尺度声子运动与缺陷、热输运等的重要手段。随着二维材料薄膜样品厚度的改变，其热导率也发生明显改变。材料热导率的探究涉及块
11、材、基体表面薄膜材料等，而应用于测量这些材料热导率方法也有很多，诸如热桥法、E-Beam 法和 法。 法测量主要研究的是对块材、单层薄膜热导率，且不考虑单层膜之3间的接触热阻。但对于多层膜结构，层间接触热阻对结果影响就会较大，热流的传导就会变得很复杂，所以很少有人研究多层膜热导率。而我们研究的多层膜热导率的变化，是对测量方法的进一步了解与掌握。38附：参考文献序号 文献目录（作者、题目、刊物名、出版时间、页次）1 L. Wang et al. Science2013：342 614 2 Sullivan P F,Seidel G.Steady-state ,ac-temperature cal
12、orimetry .Physical Review,1968:6796853 Cahill D G,Pohl R O.Thermal conductivity of amorphous solids above the plateau.Physical Review B,1987:40674073 4 Cahill D G.Thermal conductivity measurement from 30 to 750K:The 3method.Review of Scientific Instruments,1990:8028085 Lee S M,Cahill D G.Heat transp
13、ort in thin dielectric films.Journal of Applied Physics,1997:259025956 Borca-Tasiuc D A,Chen G.Anisotropic termal properties of nanochanneled alumina templates.Journal of Applied Physics,2005:303130397 Borca-Tasciuc T,Liu W L,Chen G,et al.Anisotropic thermal conductivity of Si/Ge quantum dots superl
14、attice,ASME HTD,2000:3813848 Ahmed S,Liske R,Wunderer T,et al.Extending the method to the MHz 3range for thermal conductivity measurements of diamond thin films.Diamond and Related Materials,2006:389393 9 Olson B W,Graham S,Chen K.A practical extension of the method to multiplayer structures.Review
15、of Scientific Instruments,2005:1610 Borca-Tasiuc T,Kumar A R,Chen G.Data reduction in method for thin film 3thermal conductivity determination.Review of Scientific Instruments,2001:2139214711 Jacquot A,Lenoir B,Dauscher A.Numerical simulation of the method for measuring the thermal conductivity.Jour
16、nal of Applied Physics,2002:4733473812 Talor R E,Wang X,Xu X.Thermophysics properties of thermal barrier coatings.Surface and Coating Technology,999:899513 Choi T Y,Poulikakos D.Measurement of the thermal conductivity of individual carbon nanotubes by the four-point three- method.Nano letters,2006:1
17、589159314 Choi T Y,Poulikakos D.Measurement of the thermal conductivity of individual multi-walled carbon nanotubes by the method .Applied Physics 3Letters,2005:01310815 Dames C,Chen G. and methods for measurements of thermal 2,1properties . Review of Scientific Instruments,2005:12490216 Lu L,Yi W,Z
18、hang D L. method for specific heat and thermal conductivity 3measurements.Review of Scientific Instruments,2001:2996300317 Yi W,Lu L,Zhang D L,et al.Linear specific heat of carbon nanotubes.Physical Review B,1999:9015901818 Borca-Tasiuc D A,Chen G.Anisotropic thermal properties of nanochanneled alum
19、ina templates.Journal of Applied Physics,2005:30313039919 Tsui B Y,Yang C C,Fang K L.Anisotropic thermal conductivity of nanoporous silica film.IEEE Transactions on Electron Devices,2004:2027 20 Harrisa K D,Vicka D,Gonzalezb E G.Porous thin films for thermal barrier coating.Surface and Coatings Tech
20、nology,2001:18519121 Cahill D G,Lee S M.Thermal conductivity of k-Al2O3 and a-Al2O3 wear-resistant coatings.Journal of Applied Physics,1998:5783578622 Lee S M,Kwun S.Digital frequency tripling circuit for third harmonic detection by lock in amplifiers.Review of Scientific Instruments,1994:67167323 王
21、照亮，唐大伟.各向异性激光晶体 KTP 导热系数测量 .强激光与粒子束，2006:1071107524 Chen F,Shulman J,Chu C W,Thermal conductivity measurement under hydro-static pressure using the method.Review of Scientific 3Instruments,2004:4578458425 Jung D H,Bae D J,Moon I K.Fully automated dynamic calorimeter.Measurement Science and Technolog
22、y,1992:47548426 Birg N O,Nagel S R.Wide-frequency specific heat spectrometer. Review of Scientific Instruments,1987:14641470103研究内容明确研究对象、研究内容及工作范围明确研究对象二维材料法向热导以及各界面热阻研究内容及工作范围1）学会使用电子束曝光、热蒸发、线焊机等基本仪器操作。2）熟练掌握 测量热导率的方法。33）用 来测块材基底的热导率时，如何选取合适频率范围将误差降到最低。4）学会制作三明治结构样品。5）首先测量氮化硼-石墨烯薄膜样品界面热导。114拟解决的关键技术或问题
