TiO2/ZnO薄膜界面热导率的分子动力学模拟及实验研究

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界面是微电子器件中普遍存在的结构,由于微结构、边界效应及界面效应等,具有界面结构的薄膜热导率与单层薄膜有很大的不同。为了设计出可靠性更高的电子器件,开展薄膜界面热导率的研究是必要的。然而,现有的热导率测试仪还只能测量微米级的材料。因此,薄膜热导率测试技术和数值模拟技术是当前传热研究的热点。ZnO和TiO2作为电子器件中最常见的材料,因其具有良好的光电磁等特性而成为了当今研究的焦点,但对这两种物质特别是两者构筑的界面结构在纳米尺度上的传热特性和机制还缺乏足够的认识;因此,对TiO2/ZnO薄膜界面热特性的研究是必要的。   本文采用分子动力学(MD)模拟和瞬态热反射方法对由ZnO和TiO2纳米薄膜构建界面的热导率进行了研究,主要的研究工作如下:   采用平衡分子动力学方法(EMD)研究了平衡温度、厚度、界面以及TiO2在TiO2/ZnO薄膜系统中所占比例对TiO2/ZnO薄膜界面热导率的影响;研究显示:当温度由300K升高到600K时,薄膜的热导率逐渐减小;当薄膜厚度由1.8nm增大到5nm时,热导率会逐渐增大,且其热导率要小于薄膜界面中各薄膜热导率平均值的一半;而单位长度内界面数增加时,TiO2/ZnO薄膜界面热导率变化不明显;另外,薄膜界面的热导率随着TiO2在TiO2/ZnO薄膜系统中所占比例的升高而减小。结果表明TiO2/Zno薄膜界面热导率具有明显的尺寸效应、界面效应和温度效应。   试验方面,利用磁控溅射的方法在Si基底上制备了厚度分别为300nm、500nm、800nm的TiO2/ZnO纳米薄膜界面样品,并在TiO2/ZnO纳米薄膜界面上溅射了一层厚度为300nm的金属Al作为热量的吸收层;然后利用瞬态热反射方法测试了室温下TiO2/ZnO纳米薄膜界面的热导率,测试结果表明TiO2/ZnO纳米薄膜界面热导率具有明显的尺寸效应,其热导率随着薄膜界面厚度的增大而增大。   上述的研究结果为微电子器件合理的热设计提供了一定的参考价值。
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