量熱技術和熱物性測定第十章微納米材料熱物性2025/6/241納米材料指尺度0.1～100nm的材料，由于尺度效應和表面效應而表現出與塊體材料不同的聲、光、熱、電、磁等性能。尤其隨著微電子機械系統(MEMS)的飛速發展，微尺度傳熱成為熱科學領域的研究熱點，而微納米材料的熱物性研究更是其中重要的基礎研究。薄膜材料（二維）碳纖維及碳納米管（一維）第十章微納米材料熱物性2025/6/242當熱載子(電子、聲子、光子)的各種特征尺寸變得可以相互比擬，或者與器件的特征尺寸相當時，反應物質能量輸運規律的物性參數如導熱系數、比熱等會體現出明顯的尺度效應和表面效應。第十章微納米材料熱物性2025/6/243微納米材料比熱Debye

晶體振動理論是傳統晶體比熱容研究的基礎,但由于尺寸和表面效應等因素的影響,納米顆粒的比熱容與體材比熱容往往會有較大差距。Planck最早指出,當固體尺度很小時,內部聲子色散關系將由連續變為離散,使Debye關于固體比熱容在低溫時遵守的T3規律不再適用。表面原子和內部原子對比熱容貢獻的差別不容忽視。第十章微納米材料熱物性2025/6/244微納米材料比熱晶體表面原子的配位數通常都小于內部原子的配位數,使得表面原子的振動存在軟化現象,即振動頻率衰減。對于體材,表面原子所占百分比可忽略不計,振動軟化現象不明顯。對納米尺度的晶體,表面原子所占的百分比較大,甚至占據了主要地位,因此必須考慮表面原子振動軟化因素的影響。第十章微納米材料熱物性2025/6/245微納米材料比熱隨著溫度的增高,氧化銅晶體的比熱容將明顯高于體材值;在極低溫區,氧化銅晶體的比熱容又稍低于體材值;氧化銅晶體的比熱容在中溫區存在一個由高到低的轉變關系。第十章微納米材料熱物性尺寸效應對氧化銅比熱容的影響2025/6/246微納米材料比熱在高溫區,尺寸效應存在一個錯變關系,即比熱容先隨粒徑減小而單調遞減,而后又單調遞增。而在極低溫區才存在單調遞減關系,這與氧化銅納米顆粒的量子效應和尺寸效應對比熱容的影響范圍不同有關。對于10nm以上的納米顆粒,量子效應可以忽略,比熱容隨粒徑單調遞減;對于粒徑小于10nm的納米顆粒,溫度較高時的量子效應使得比熱容有一個整體的偏高,從而出現了高溫區的交錯現象。第十章微納米材料熱物性高溫區氧化銅比熱容的尺寸效應低溫區氧化銅比熱容的尺寸效應2025/6/247微納米材料導熱塊體材料傳熱遵循的傅立葉定律，是唯象理論，是建立在材料連續介質假設基礎上的，不考慮微觀熱載子的具體運動。當從微觀研究導熱時，有：l為熱載子的平均運動自由程。Cv是熱載子比熱容，是總比熱容中受能量載子決定的那部分。而隨著材料尺度的降低，邊界散射效應顯著，載子平均自由程小于體材，因此導熱系數將減小。第十章微納米材料熱物性2025/6/248薄膜材料熱物性測量在MEMS產品設計中，介電層除了用與電絕緣外，也做絕熱或機械結構之用。MEMS元件所產生的熱量由介電層傳至基板與其他結構、因此，薄膜的熱物理特性，直接關系到MEMS元件熱物理性能預估與設計分析。由于MEMS所沉積的薄膜厚度常為微納米等級，溫差很小(0.1℃)，由于測量精度與誤差限制，不能利用傳統方法，直接在薄膜上下側設計出感溫元件，以測出其微小溫差。第十章微納米材料熱物性2025/6/249薄膜材料熱物性測量——3ω方法1990年美國Cornell大學的Cahill等提出。其原理為利用沉積于薄膜上的細長金屬線作為加熱線，同時作為溫度傳感器。由于金屬線電阻值隨溫度升高而升高，因此當金屬線輸入一固定頻率ω的正弦波電流時，會產生一個2ω頻率的溫度波向薄膜層擴散，其中與2ω相關的溫度幅值，又與金屬線兩端所測量出來的3ω電壓信號有關，因此該方法被通稱為3ω方法。第十章微納米材料熱物性2025/6/2410薄膜材料熱物性測量——3ω方法第十章微納米材料熱物性3ω方法測量樣品結構示意圖I0sin(wt)L2bThinFilmSiSubstrateMetalline

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~1wT~Q~I2~2wR~T~2wV~IR~3wV2025/6/2411薄膜材料熱物性測量——3ω方法3ω法導熱系數計算公式為：3ω的優點主要是樣品的制備簡單，僅需沉積金屬線于待測薄膜上，即可完成樣品制備，成本低廉。此外，由于使用交流電源產生振蕩熱源，所以熱損較小。但此法只適于測量熱導率遠小于襯底熱導率的薄膜材料,并且只能測量垂直于薄膜方向的熱導率。第十章微納米材料熱物性2025/6/2412薄膜材料熱物性測量——交流量熱法第十章微納米材料熱物性一束調制光照在試樣上,轉化為交變的熱流,試樣的一部分被可移動的擋光板遮住,熱電偶安置在試樣上的陰影中,通過移動擋光板可以測出l取不同值時熱偶點處的溫度幅值和相位,就可算出薄膜的熱擴散率。2025/6/2413薄膜材料熱物性測量——交流量熱法熱電偶的溫度響應為：幅值法：相位法：第十章微納米材料熱物性2025/6/2414薄膜材料熱物性測量——閃光法熱擴散率：第十章微納米材料熱物性2025/6/2415薄膜材料熱物性測量——閃光法使用脈沖法測量薄膜法向熱擴散率時，要求脈沖作用時間遠小于試樣內的溫度傳播特征時間t0.5。如果薄膜材料厚度非常小，t0.5也就很小，為滿足該條件，就需要很窄的脈沖寬度(納秒量級)和很高的信號采樣頻率，所以必須配備高性能的激光器、前置放大器和模數轉換器。另外,為了達到樣品在其表面吸收脈沖能量的要求，常需加表面吸收涂層，這會對測量準確度造成影響。第十章微納米材料熱物性2025/6/2416薄膜材料熱物性測量——閃光法第十章微納米材料熱物性2025/6/2417薄膜材料熱物性測量——一維穩態法第十章微納米材料熱物性Heatsink,T0Hotwirexl＋－給薄膜金屬絲通電，薄膜金屬絲兩端為恒溫熱沉，則穩定時，薄膜金屬絲有穩定的溫升，其傳熱方程為：2025/6/2418薄膜材料熱物性測量——一維穩態法第十章微納米材料熱物性2025/6/2419薄膜材料熱物性測量——一維穩態法第十章微納米材料熱物性Powersupply+Keitheley2002Keitheley2002-

S1RSI+I-V+V-2025/6/2420薄膜材料熱物性測量——微橋法第十章微納米材料熱物性用微型加熱器加熱單層無襯底薄膜,用微熱敏電阻或熱電偶或電阻溫度計測量溫度的變化，從而測得薄膜材料的熱導率及熱擴散率。2025/6/2421薄膜材料熱物性測量——微橋法給加熱絲通穩定直流電，加熱絲產生一個穩定熱流沿薄膜正反兩方向傳播，在薄膜邊界，由于硅基底的熱沉作用，溫度急劇降低，因而可以認為邊界處的溫度為環境溫度。由一維穩態傳熱得：第十章微納米材料熱物性2025/6/2422薄膜材料熱物性測量——微橋法給加熱絲通穩定直流電，加熱絲產生一個交變的熱流沿薄膜傳播，通過解一維的瞬態熱傳導方程可以得到在x處的相位及幅值變化，計算得到熱擴散率：相位移動：振幅：第十章微納米材料熱物性2025/6/2423一維碳纖維碳納米管導熱系數測量將碳纖維碳納米管連接在一熱沉和熱絲中點處。第十章微納米材料熱物性xh1xh2lh1lh2lfxf

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FfHot-wireIHot-wireIIFiber/tube2025/6/2424一維碳纖維碳納米管導熱系數測量第十章微納米材料熱物性2025/6/2425一維碳纖維碳納米管導熱系數測量第十章微納米材料熱物性2025/6/2426一維碳纖維碳納米管導熱系數測量第十章微納米材料熱物性碳纖維2025/6/2427一維碳纖維碳納米管導熱系數測量第十章微納米材料熱物性碳納米管2025/6/2428碳納米管導熱系數測量SiNx

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