基于3-Omega法的各向异性热导率测量.pdf
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1、Applied Physics 应用物理应用物理,2024,14(3),59-67 Published Online March 2024 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/app https:/doi.org/10.12677/app.2024.143009 文章引用文章引用:陈涵阳,吉彦达.基于 3-Omega 法的各向异性热导率测量J.应用物理,2024,14(3):59-67.DOI:10.12677/app.2024.143009 基于基于3-Omega法的各向异性热导率测量法的各向异性热导率测量 陈涵阳陈涵阳*,吉彦达吉彦达 南京航空航天
2、大学物理学院,江苏 南京 收稿日期:2024年1月19日;录用日期:2024年3月4日;发布日期:2024年3月11日 摘摘 要要 本文首先搭建了基于本文首先搭建了基于3-omega法的热导率测试系统并结合法的热导率测试系统并结合LabVIEW软件编写了仪器控制程序,在测试电软件编写了仪器控制程序,在测试电路中使用路中使用INA128P仪表放大器芯片实现样品两端电势差的获取,确保了交流信号的准确测量。之后本文仪表放大器芯片实现样品两端电势差的获取,确保了交流信号的准确测量。之后本文基于基于3-omega法的一维传热模型使用该测试系统对法的一维传热模型使用该测试系统对SiO2/Si样品进行了样品
3、进行了SiO2薄膜的平面外热导率测量,得薄膜的平面外热导率测量,得到到SiO2薄膜的热导率薄膜的热导率1.3444 Wm1K1,验证了该测试系统对交流信号测量的准确性,为进一步实验奠,验证了该测试系统对交流信号测量的准确性,为进一步实验奠定基础。但是一维传热模型不能满足实际高质量外延薄膜中不同晶向的热导率测量需求,为此本文发展定基础。但是一维传热模型不能满足实际高质量外延薄膜中不同晶向的热导率测量需求,为此本文发展了一种适用于该需求的二维传热模型,基于加热丝不同宽度的设计,宽度更小的加热器可以调节面内焦了一种适用于该需求的二维传热模型,基于加热丝不同宽度的设计,宽度更小的加热器可以调节面内焦耳
4、热的输运情况,从而获得面内方向上的热导率。本实验使用该二维传热模型测量了耳热的输运情况,从而获得面内方向上的热导率。本实验使用该二维传热模型测量了AlN/Al2O3样品中样品中AlN薄膜上薄膜上1010,2110和和0001方向的热导率,实验得到方向的热导率,实验得到AlN薄膜在这三个方向上的热导率分别为薄膜在这三个方向上的热导率分别为7.32 Wm1K1,9.57 Wm1K1和和1.1612 Wm1K1。另外实验也进行了。另外实验也进行了COMSOL软件仿真交叉验证。软件仿真交叉验证。关键词关键词 3-Omega法,法,AlN薄膜,热导率,薄膜,热导率,LabVIEW,COMSOL Meas
5、urement of Anisotropic Thermal Conductivity Based on the 3-Omega Method Hanyang Chen*,Yanda Ji College of Physics,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing Jiangsu Received:Jan.19th,2024;accepted:Mar.4th,2024;published:Mar.11th,2024 Abstract This paper begins by constructing a therm
6、al conductivity testing system based on the 3-omega me-thod and developing an instrument control program using LabVIEW software.In the test circuit,*通讯作者。陈涵阳,吉彦达 DOI:10.12677/app.2024.143009 60 应用物理 an INA128P instrumentation amplifier chip is employed to amplify the potential difference across the
7、samples two ends,ensuring accurate measurement of the alternating current signal.Subse-quently,utilizing the one-dimensional heat transfer model based on the 3-omega method,the sys-tem is employed to measure the in-plane thermal conductivity of SiO2 thin films on Si substrates.The obtained thermal c
8、onductivity of the SiO2 film is 1.3444 Wm1K1,validating the accuracy of the measurement system for alternating current signals and laying the foundation for further ex-periments.However,the one-dimensional heat transfer model fails to meet the requirements for measuring the thermal conductivity in d
9、ifferent crystal directions in actual high-quality epitaxial films.Therefore,this study develops a two-dimensional heat transfer model suitable for such de-mands.Based on the design of heating wires with different widths,a narrower heater can adjust the transport of in-plane Joule heat,thereby obtai
10、ning the in-plane thermal conductivity.Using this two-dimensional heat transfer model,the experiment measures the thermal conductivity of AlN thin films on Al2O3 substrates in the 1010,2110,and 0001 directions.The experiment yields thermal conductivities of 7.32 Wm1K1,9.57 Wm1K1,and 1.1612 Wm1K1 for
11、 the AlN film in these three directions,respectively.Additionally,the experiment undergoes cross-validation through simulation using COMSOL software.Keywords 3-Omega Method,AlN Film,Thermal Conductivity,LabVIEW,COMSOL Copyright 2024 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the
12、 Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 对具有高平面热导率的薄膜材料的研究在各种应用中变得日益重要,其中包括在微电子学、通信、高功率器件、LED(Light Emitting Diode,发光二极管)等领域的应用1。这样的研究涉及对二维层状材料和各种具有各向异性属性的晶体的探索,例如薄膜、超晶格、石墨烯以及类似的平面材料2。它们的热性能是在工业应用上的一个关键考虑因素,促使了对这些材料的热导率进行实验性测量的研究
13、。33-omega方法相对于其他测量薄膜热导率的方法具有几个优势,包括其广泛的适用范围和通用的设备仪器3。它还能够区分各向异性材料的平面外(cross-plane)和平面内(in-plane)热导率4。3-omega 方法相对其他热导率测试方法来说,辐射和对流热损失5的误差影响较小。通常情况下,薄膜材料的热导率要小于它们体块对应物质的热导率,有时甚至相差很大。例如,在室温下,20 nm 厚的硅薄膜的热导率可能比其体块单晶对应物质小五倍6,而封装的石墨烯单层平面上的热导率至少比块材石墨的相应值小十倍7。所以对于薄膜各向异性热导率的测量是一项挑战。而 AlN 由于其高热导率而被广泛应用于电子器件散
14、热、LED封装以及微波和射频器件等领域,成为一个备受关注的材料。其能有效地将设备产生的热量传导出去,提高设备的稳定性和可靠性。因此,精确地测量 AlN 薄膜的热导率对 AlN 薄膜的实际应用来说尤为重要。2.3-Omega 法原理法原理 3-omega 法主要利用了对样品施加交流电时产生的三次谐波。测试电路中三次谐波的产生依赖于如图 1 所示的电极结构,其中金属线既作为电流驱动的加热器,也作为感应 3 信号的感应器。在该实验中由函数发生器提供的交流电是正弦周期的,正弦交流电驱动样品上的加热器,进而产生焦耳热。正弦Open AccessOpen Access陈涵阳,吉彦达 DOI:10.1267
15、7/app.2024.143009 61 应用物理 电流加热导致的温度波动变化也应同样呈现与电流类似的周期性,应呈现为 2 的频率。产生焦耳热之后引起的温度变化将导致加热器上的电阻变化,将产生的温度变化幅度记为 T,电阻将随着温度变化改变。电路中的电压将呈现以下的形式:()()0000003sincoscos 322RRR IR IUR ItTtTtUU=+=+(1)由此得到在考虑焦耳热的情况下,电压中会出现一部分 3 频率的项。其中,U 是总电压,R0是金属线未加热时的电阻,I0是函数发生器提供的电流,是交流电的角频率,R是金属线的电阻温度系数,U和 U3分别是角频率未 和 3 的交流电信号
16、。实验中需要将这一部分 3 信号用锁相放大器从混合信号中分离出来。获取 3 信号后,需要将其转换为温度振荡的幅度 T,用于后续的热导率计算。理论上来说,在金属线中产生的焦耳热以 2 的频率振荡,以波的形式向周围扩散。该温度的波动 T 通常与金属线下的样品有关,其关系由以下公式给出8:()20.5ln0.5lnln4linearpppTiflklklkb=+=(2)其中,P 为电流的加热功率,l 为金属线加热器的长度。在公式(2)中,只有 ln 项是变化的量,其他项都是常量,因此只要得到温度振荡幅度与交流电角频率自然对数的斜率关系就可以得到前面的系数,计算出热导率 k。其中 是一个常量,flin
17、ear 是关于 ln 的线性函数。然而公式(2)只能得到测试对象平面外的热导率,本文发展了一种用于测试薄膜各向异性热导率的方法。通过采用不同的金属线加热器线宽,使得二维热传播结果差异化,宽度更窄的金属线加热器更趋向于向平面内方向上的传播热量。由此给出了以下的公式,并考虑了薄膜基底组合中基底的影响8:2zFFFSSFpdTTTCSblk+=(3)21xzFFSk kCk=(4)()()()230tanh2sind1tanhzxFFFSFFSk kk=+(5)()xzFFFkdb=(6)其中,TF+S是薄膜基底结构上加热器的温度变化,TS是单基底结构上加热器的温度变化,dF是薄膜的厚度,kS是基底
18、的热导率,kFz是薄膜平面外的热导率,kFx是薄膜平面内的热导率。3.系统设计和功能实现系统设计和功能实现 3.1.硬件构成硬件构成 本实验中首先将设计好的电极图案制作出掩模版,再通过磁控溅射将 Pt/Ni 电极镀在样品表面。如图1 所示,金属线(Metal Wires)中间的宽度 2b 为 50 m,接线处之间的间隔 l 为 7 mm。之后电路的连接如图 2 所示,函数发生器 Keysight33500B 提供一个激励交流电信号,作为输入信号接入样品的接线处,并串联一个可调电阻(variable resistance),再从可调电阻另一端引出线接地,构成交流电的回路。另外,本实验使用了两个仪
19、表放大器 INA128P,来获取样品和可调电阻两端的电势差。将样品和可调电阻两端的电势差转换为单端信号之后即可接入锁相放大器(lock-in amplifier)SR830 的 A 端和 B 端。通过改变函数陈涵阳,吉彦达 DOI:10.12677/app.2024.143009 62 应用物理 发生器输入信号的频率可以获取三次谐波电压关于输入信号频率的关系。实验中仪器的控制与数据收集将由 LabVIEW 程序实现。Figure 1.3-omega method experimental schematic diagram 图图 1.3-omega 法实验示意图 Figure 2.Circui
20、t diagram 图图 2.电路示意图 3.2.软件设计软件设计 在 U3的测量实验中计算机作为上位机同时控制函数发生器 KEYSIGHT 33500B 输出正弦交流信号IAC的频率以及锁相放大器 Stanford Research Systems SR830 的测量频率。本文使用了 LabVIEW 软件来编写自动测试程序,该程序的作用是测量随输入正弦交流电频率变化的三次谐波电压有效值大小,流程图如图 3 所示。程序使用了 LabVIEW 中的 VISA 模块(串口通信模块),通过 VISA 写入函数和 VISA 读取函数向仪器发送指令和读取数据。程序总体分为仪器参数设定,循环测试,数据保存
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