CN102818820A

CN102818820A - 基于二氧化钒纳米线的纳米材料导热系数的测量系统

Info

Publication number: CN102818820A
Application number: CN201210332260XA
Authority: CN
Inventors: 范雯; 季杰
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: CN102818820B

Abstract

本发明涉及基于二氧化钒纳米线的纳米材料导热系数的测量系统。该系统包括二氧化钒纳米线悬臂梁、激光热源机构、光学显微镜机构和真空压力腔机构；激光热源机构和光学显微镜机构位于真空压力腔机构外部。真空压力腔体内一侧设有硅片基底，二氧化钒纳米线悬臂梁的一端连接着硅片基底，一端为悬壁端，二氧化钒纳米线悬臂梁与真空压力腔体顶部的玻璃窗口对应；光学显微镜机构位于玻璃窗口外部的上方；测量时，待测纳米线悬臂梁的一端连接着硅片基底，且位于二氧化钒纳米线悬臂梁的上方；待测纳米线悬臂梁的另一端为悬臂梁，连接着二氧化钒纳米线悬臂梁的悬臂端。本发明用于相关热物性测量，成本低，防止纳米线表面出现加速老化，提高了测量的准确度。

Description

基于二氧化钒纳米线的纳米材料导热系数的测量系统

技术领域

本发明属于功能材料应用技术领域，具体涉及一种基于二氧化钒纳米线相变特性的微/纳米材料导热系数测量系统。

背景技术

目前，随着微/纳米加工和分析等技术的发展，研究发现半导体材料在微/纳米尺度下的尺寸效应、晶界效应等为其在力、热、光、电、磁等方面带来了独特性能，并由此制造出功能强大、性能优越的微/纳米级电子元器件，因此微/纳米材料具有巨大的应用前景。但是随着电子元件的尺寸持续减小至纳米级，其发热密度却持续增大，这对微/纳米器件的可靠性提出了挑战。因此，为了维持和提高该电子元件的工作性能，微/纳米尺度下散热问题及其相关热力学分析的基础研究成为了一个至关重要的课题。

由于尺度的限制，微/纳米材料的导热系数等热物性参数的测量研究一直是一个公认的难题，尤其对单根纳米线/管热物性参数的有效测量手段并不多，可分为接触式和非接触式两类：接触式包括有3ω法、周期加热法、悬空热导法等；非接触式包括有闪光法、光热反射法、光声法。目前，这些研究方法存在有一定的问题：如在斜率-3ω法等接触式方法中，微电路老化时加热膜与基底之间的漏电可能导致其非线性接触电阻的出现，进而造成纳米线导热系数测量实验的失败，而且加热器两端等温的要求限制了该方法的使用范围；还有,基于激光光热技术的闪光法等非接触式方法，一般不能直接测试热导率而是测量热扩散系数之后再导出该热导系数，导致测量结果的准确度下降，而且该类方法的测量范围也有较大的限制，难以测量纳米线的导热系数。由于上述原因，虽然已有研究在微/纳米尺度下研究过部分纳米线的导热系数等热物性参数随温度和直径的变化规律，但是还缺乏对其导热系数随长度变化的实验研究。

发明内容

为了克服上述3ω法等现有技术的不足，本发明提供一种基于二氧化钒纳米线的纳米材料导热系数的测量系统，该系统在二氧化钒纳米线相变特性的测温技术的基础上，利用激光辅助光学显微技术将二氧化钒相变特性测温技术和激光辅助光学显微观测相结合，既提高了纳米线上温度波动的测量精度，同时也解决了纳米线导热系数在不同压强、温度和纳米线直径条件下的测量问题。

具体的技术解决方案如下：

基于二氧化钒纳米线的纳米材料导热系数的测量系统包括二氧化钒纳米线悬臂梁12、激光热源机构2、光学显微镜机构3和真空压力腔机构1；激光热源机构2和光学显微镜机构3位于真空压力腔机构1外部；所述真空压力腔机构1包括真空压力腔体，真空压力腔体侧面设有真空压力腔进出口14，真空压力腔体顶部设有玻璃窗口15；所述真空压力腔体内设有矩形承物台10，矩形承物台上设有硅片基底11；所述二氧化钒纳米线悬臂梁12的一端通过铂金薄膜13固定连接着硅片基底11，二氧化钒纳米线悬臂梁12的另一端为悬臂端，二氧化钒纳米线悬臂梁12与真空压力腔体顶部的玻璃窗口15对应；所述光学显微镜机构3位于所述玻璃窗口15外部的上方；光学显微镜机构3由CCD图像传感器30、上凸透镜31和下凸透镜32组成，其中CCD图像传感器30位于上凸透镜31的上方，下凸透镜32与所述玻璃窗口对应；所述激光热源机构2由依次排列的激光发生器20、半波偏振片21、偏振分束器22、透射式位相光栅23、滤光片24和折射镜25组成，所述折射镜25位于上凸透镜31和下凸透镜32之间，且与下凸透镜32之间呈45度角；

进行测量时，待测纳米线悬臂梁4的一端通过铂金薄膜13固定连接着硅片基底11；待测纳米线悬臂梁4的另一端为悬臂梁，且通过铂金薄膜13固定连接着二氧化钒纳米线悬臂梁12的悬臂端。

所述二氧化钒纳米线悬臂梁12的长度为50-100μm，其矩形截面的宽度为0.5-1μm，高度为0.2-0.5μm，其在无应力状态下被加热至68℃时会发生半导体相至金属相的相变。

所述待测纳米线悬臂梁4的直径为1-1000nm，长度为50-200μm。

所述硅片基底11上，二氧化钒纳米线悬臂梁12和待测纳米线悬臂梁4之间距离为10-20μm。

本发明提出的新型测量技术是基于二氧化钒相变性质的非接触式热物性测量方法，克服了微/纳米尺度下的温度准确测量的难题，避免了微型电路的复杂制作过程，减少了系统线路老化带来的实验误差，在我们过去的工作中已经证明了该方法可有效用于微/纳米线尺度下纳米线表面与空气之间的对流换热系数的测量工作。二氧化钒是相变温度最接近室温的相变材料，其温致相变前后二氧化钒进行了金属相和半导体相的转变，并伴随着其表面暗绿色和亮黄色的颜色变化，且其相变速度可达到纳秒级别，因此它作为温度探测元件的灵敏度相当高；既可解决在纳米线尺度探测微小温度波动的难题，又能回避制作微型电路所带来的实验误差，从而提高实验结果的准确性，另外还可减少关键测温元件的制作成本，而且其相变稳定性也较好，使用期限较长。在本实验室的工作基础上，我们将该测量方法应用于单根单晶纳米线导热系数的间接测量工作，从而进行传热过程机制原理分析研究。目前尚未有类似的纳米线导热系数测量方法方面的相关专利。

本发明与现有技术相比的优点在于：采用该测量系统进行相关热物性测量，可以避免微米级电路装置的制作，同时防止纳米线表面出现加速老化，并保证了微/纳米尺度下温度变化的准确测量，从而提高了纳米线导热系数测量的准确度，更拓宽了待测样品的测量范围，可测量样品的横截面直径在1-1000nm范围的纳米线，且该测量同样适用于纳米棒、纳米管、纳米带等多种纳米材料的导热系数测量。项目所提出的微/纳米线导热系数测量方法，一方面可拓宽材料在微/纳米尺度下的热物理基础研究，可为微/纳米材料的热物性测量研究提供一定的参考和借鉴；另一方面，可应用于微/纳米级电子芯片设计中，用于改善低压下微/纳米级电子芯片的散热能力，具有重要的研究意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明在未工作状态下的结构示意图。

图2为本发明在工作状态下的结构示意图。

图3为本发明在工作状态下时，系统内热流分布及二氧化钒纳米线悬臂梁12金属相区间分布的理论模型图。

上图中序号：真空压力腔机构1、激光热源机构2、光学显微镜机构3、待测纳米线悬臂梁4、矩形承物台10、硅片基底11、二氧化钒纳米线悬臂梁12、铂金薄膜13、真空压力腔进出口14、玻璃窗口15、压力传感器16、压力控制器17、激光发生器20、半波偏振片21、偏振分束器22、透射式位相光栅23、滤光片24、折射镜25、CCD图像传感器30、上凸透镜31、下凸透镜32。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

实施例

参见图1，一种基于二氧化钒纳米线相变特性的微/纳米材料导热系数测量系统包括真空压力腔机构1、激光热源机构2、光学显微镜机构3、待测纳米线悬臂梁4。所述真空压力腔机构1包括真空压力腔体，真空压力腔体侧面设有真空压力腔进出口14，真空压力腔体顶部设有玻璃窗口15。真空压力腔体内设有矩形承物台10。二氧化钒纳米线悬臂梁12的一端通过铂金薄膜13固定连接着硅片基底11，二氧化钒纳米线悬臂梁12的另一端为悬臂端，于是这三者组成了二氧化钒测温构件。该二氧化钒测温构件通过真空压力腔进出口14被置于真空压力腔体内的矩形承物台10上，其中二氧化钒纳米线悬臂梁12与真空压力腔体顶部的玻璃窗口15对应。压力传感器16和压力控制器17置于真空压力腔体外部，分别用于不同压强工况下对真空压力腔内部压强的测试与调节。此处，二氧化钒测温构件以0.5cm²大小的硅片基底11为基底，该硅片基底11具有相对较大的比热值，是很好的热沉；而二氧化钒纳米线悬臂梁12通过蒸汽传输法合成，长度约为50-100μm，且宽度约为0.5-1μm；二氧化钒纳米线悬臂梁12通过用铂金薄膜13固定在硅片基底11上，以保证二氧化钒纳米线悬臂梁12与硅片基底11之间的热阻较小。且真空腔体壁由不透光材料所制成。

当进行各种纳米线导热系数的测量前，先使用钨针将待测纳米线悬臂梁4转移至硅片基底11的边缘，并通过聚焦离子束法（FIB）用铂金薄膜13将待测纳米线悬臂梁4的一端固定连接着硅片基底11，再将待测纳米线悬臂梁4的另一端，即悬臂端，用铂金薄膜13固定连接着二氧化钒纳米线悬臂梁12的悬臂端，如图2所示，以保证待测纳米线悬臂梁4与硅片基底11、二氧化钒纳米线悬臂梁12之间的热阻较小。该待测纳米线悬臂梁4的长度测量范围约为50-200μm，直径测量范围约为1-1000nm。

所述激光热源机构2由依次排列的激光发生器20、半波偏振片21、偏振分束器22、透射式位相光栅23、滤光片24和折射镜25组成，所述折射镜25位于上凸透镜31和下凸透镜32之间，且与下凸透镜32之间呈45度角。激光发生器20所提供的激光频率为533Hz，最大激光能量为330mW，该激光投射至滤光片24上，通过调整滤光片24被调整成不同的激光强度Q，再依次经过折射镜25、玻璃窗口15，投射在待测纳米线悬臂梁4上，见图2；该激光投射在待测纳米线悬臂梁4上之后形成了直径约为1-2μm的光斑，可以用来标识激光投射点位置，即L ₁；通过激光发生器20的控制功能，可以精确操纵激光投射点位置L ₁的微移范围约20μm。所述二氧化钒纳米线悬臂梁12的半导体-金属相变可在纳秒内完成，因此相对于电子和声子的相互作用时间，皮秒，该测量过程可看为准平衡态过程。

光学显微镜机构3位于玻璃窗口15外部的上方；光学显微镜机构3由CCD图像传感器30、上凸透镜31和下凸透镜32组成，其中CCD图像传感器30位于上凸透镜31的上方，下凸透镜32与玻璃窗口对应；该光学显微镜机构3的放大倍数为20、50和100，其工作视野如图1，2所示，并可针对激光在待测纳米线悬臂梁4上的投射位置L ₁进行粗略的调整，以便于配合之后投射位置L ₁的微调。

完成实验测试之后，建立数学模型，假定某压强P某温度T _a下待测纳米线悬臂梁4的导热系数k，对应于实验工况的各组激光强度Q和投射位置L ₁，得到该工况下二氧化钒纳米线悬臂梁12金属相变区间长度的理论值；在不同k的假定条件下，对应于各实验工况（Q，L ₁），计算得到该金属相变区间长度的理论值，并分别与其对应的实验值进行对比；各个给定的k情况下，对各实验工况（Q，L ₁）下的误差进行叠加，得到总误差（与k相关），当该总差值最小时，反推得到使得理论值与实验室偏差最小的导热系数假定值k _s，即该压强、温度下待测纳米线悬臂梁4导热系数的真实值。

本发明的具体运行原理如下：

1.室温下T _a，当通过压力控制器17调节压强至预定值P时，通过调整激光热源机构2将入射激光调整到某激光强度Q，让激光经过玻璃窗口15投射到待测纳米线悬臂梁4上，并利用激光所形成的光斑，记录投射点位置L ₁以及激光强度Q。此时，该入射激光提供给待测纳米线悬臂梁4的热量以投射点为原点向待测纳米线悬臂梁4两侧传递，一部分热量q ₁将经过待测纳米线悬臂梁4的一侧流至硅片基底11，引起待测纳米线悬臂梁4的温度上升；其余热量q ₂则依次经过待测纳米线悬臂梁4的另一侧和二氧化钒纳米线悬臂梁12，再流至硅片基底11，引起了待测纳米线悬臂梁4和二氧化钒纳米线悬臂梁12的温度上升，这里大部分热量都是通过传导传热和对流传热的方式分别耗散至硅片基底11和空气中；

2.通过光学显微镜机构3观察到，当二氧化钒纳米线悬臂梁12上存在部分区间的温度超过68 ℃时，该区间发生半导体-金属相变，并由亮黄色变为暗绿色，同时二氧化钒纳米线悬臂梁12的其他部分区间仍然保持亮黄色，如图2，3所示；于是记录该实验条件下（P, L ₁, Q）金属相变区间长度的实验值L _m；

3.改变投射位置L ₁，也再次通过用滤光片24对激光强度Q=n*Q ₀进行调整（n为滤光的百分比），即改变n，重复步骤1和2，得到相应工况下的L _mi，其中i = 1, 2…m（m为工况总数）；

4.结合所建立的传热模型，假定室温下待测纳米线悬臂梁4的导热系数为已知常数k，而且硅片基底是良好的热沉，其温度T _s始终与室温T _a保持一致，可以计算得到理论上待测纳米线悬臂梁4和二氧化钒纳米线悬臂梁12上温度分布T关于投射位置L ₁，激光强度Q和导热系数k的函数T(L ₁, Q, k)，进而得到二氧化钒纳米线悬臂梁12上金属相变区间长度的理论值L _mi ’关于L ₁, Q和k的函数；

5.在该对应的不同工况条件（L ₁, Q）和假定热导系数k的情况下，计算二氧化钒纳米线悬臂梁12上该金属相变区间长度的理论值L _mi ’与实验值L _mi的误差△i=L _mi- L _mi ’，i = 1, 2…m，并叠加计算该假定热导系数k下总误差∑△i；

6.保持压强P不变，改变多组假定热导系数k，并重复步骤1-5，通过编程计算得到该总差值的极小值，得到使得不同工况的总误差∑△i最小时的k _p，即为该压强下该待测纳米线悬臂梁4的真实热导系数；

7.再通过压力控制器17和压力传感器16来调整和测量环境压强P，在各环境温度下（不超过68℃）针对不同直径的待测纳米线悬臂梁4，利用这个系统在不同实验条件（压强、温度、直径）下对不同微/纳米线导热系数进行测量研究，可得到微/纳米线的导热系数随压强、温度、直径的变化规律，并归纳总结得到压强、温度、尺度效应对微/纳米线传热能力的影响，为研究微/纳米线传热机理及其可能的热物性尺度效应做好铺垫。

Claims

1.基于二氧化钒纳米线的纳米材料导热系数的测量系统，其特征在于：包括二氧化钒纳米线悬臂梁（12）、激光热源机构（2）、光学显微镜机构（3）和真空压力腔机构（1）；激光热源机构（2）和光学显微镜机构（3）位于真空压力腔机构（1）外部；所述真空压力腔机构（1）包括真空压力腔体，真空压力腔体侧面设有真空压力腔进出口（14），真空压力腔体顶部设有玻璃窗口（15）；所述真空压力腔体内设有矩形承物台（10），矩形承物台上设有硅片基底（11）；所述二氧化钒纳米线悬臂梁（12）的一端通过铂金薄膜（13）固定连接着硅片基底（11），二氧化钒纳米线悬臂梁（12）的另一端为悬臂端，二氧化钒纳米线悬臂梁（12）与真空压力腔体顶部的玻璃窗口（15）对应；所述光学显微镜机构（3）位于所述玻璃窗口（15）外部的上方；光学显微镜机构（3）由CCD图像传感器（30）、上凸透镜（31）和下凸透镜（32）组成，其中CCD图像传感器（30）位于上凸透镜（31）的上方，下凸透镜（32）与所述玻璃窗口对应；所述激光热源机构（2）由依次排列的激光发生器（20）、半波偏振片（21）、偏振分束器（22）、透射式位相光栅（23）、滤光片（24）和折射镜（25）组成，所述折射镜（25）位于上凸透镜（31）和下凸透镜（32）之间，且与下凸透镜（32）之间呈45度角；

进行测量时，待测纳米线悬臂梁（4）的一端通过铂金薄膜（13）固定连接着硅片基底（11）；待测纳米线悬臂梁（4）的另一端为悬臂梁，且通过铂金薄膜（13）固定连接着二氧化钒纳米线悬臂梁（12）的悬臂端。

2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒纳米线的纳米材料导热系数的测量系统，其特征在于：所述二氧化钒纳米线悬臂梁（12）的长度为50-100μm，其矩形截面的宽度为0.5-1μm，高度为0.2-0.5μm，其在无应力状态下被加热至68℃时会发生半导体相至金属相的相变。

3.根据权利要求1所述的基于二氧化钒纳米线的纳米材料导热系数的测量系统，其特征在于：所述待测纳米线悬臂梁（4）的直径为1-1000nm，长度为50-200μm。

4.根据权利要求1所述的基于二氧化钒纳米线的纳米材料导热系数的测量系统，其特征在于：所述硅片基底（11）上，二氧化钒纳米线悬臂梁（12）和待测纳米线悬臂梁（4）之间距离为10-20μm。