一维纳米结构热物性测试平台的搭建及单根碳纳米管导热系数的实验测量

摘要

随着电子器件的特征尺寸不断减小，器件中的热流密度越来越大，寻找到能够有效传热的材料就显得越来越重要。在人们的不断努力下，已经有很多新型材料被发现，如石墨烯、碳纳米管等纳米结构，随后人们对这些纳米结构的热学性质进行了深入的研究。
　　悬空微器件法广泛应用于一维纳米结构导热系数的实验测量中，该方法由P.Kim提出，通过悬空微器件来测量单根一维纳米结构的导热系数。本文基于悬空微器件法搭建了一维纳米结构热物性测试平台，测试精度可达到～10 pW/K。同时还搭建了电化学刻蚀平台和微操纵平台，利用电化学腐蚀的方法制备出实验中所需的针尖，通过该针尖将试样搭接在悬空微器件的热源和热沉之间。
　　比较了计算铂电阻温度计的电阻温度系数的不同方法。结果表明，铂电阻温度计的杂质浓度较高，Bloch-Grüneisen(BG)公式拟合由于电子-声子散射和电子-杂质散射间的干涉(EPI)及其他的影响拟合的误差较大，带有EPI修正的BG拟合在低温不能提高电阻温度系数估计值的精度。高次多项式拟合除了在温度范围的边界，也能得到很好的结果。由于测得的电阻随机误差足够小，简单的数值微分也能得到精确的电阻温度系数。
　　测量了不同直径的单根多壁碳纳米管的导热系数，得出碳纳米管的导热系数随着直径的减小而增加。测量碳纳米管的拉曼光谱以研究碳纳米管的质量，得到D峰值与G峰值的比为0.8，远高于高质量的碳纳米管的相应值0.02，表明碳纳米管试样存在缺陷。通过改变碳纳米管悬空长度的实验方法消除接触热阻的影响，得到碳纳米管的本征导热系数。实验结果表明，碳纳米管的本征导热系数远高于没有消除接触热阻影响得到的有效导热系数。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米结构导热系数的研究现状

1．1．1 碳纳米管

1．1．2 纳米线和纳米带

1．1．3 石墨烯

1．2 碳纳米管导热系数的实验测量方法

1．2．1 碳纳米管宏观体材料导热系数的实验测量

1．2．2 用3ω方法测量单根碳纳米管的导热系数

1．2．3 利用单根悬空碳纳米管的电流-电压特性得到其导热系数

1．2．4 稳态T形法

1．2．5 电烧断法

1．3 本文的主要研究内容

第二章 悬空微器件法的实验介绍

2．1 微器件的结构

2．2 微器件的加工过程

2．3 悬空微器件法的实验原理

2．3．1 单锁相放大器法的实验原理介绍

2．3．2 双锁相放大器法的实验原理介绍

2．3．3 利用差分电桥的悬空微器件法的实验原理介绍

2．4 本章小结

第三章 一维纳米结构热物性测试平台的搭建

3．1 电化学刻蚀平台及针尖的腐蚀

3．1．1 电化学腐蚀的原理

3．1．2 针尖腐蚀的条件

3．2 微操纵平台及试样的准备

3．3 一维纳米结构热物性测试平台

3．3．1 温度标定

3．3．2 实验台标定

3．4 本章小结

第四章 铂电阻温度计的电阻温度系数的估计

4．1 电阻温度计

4．2 电阻温度系数的计算方法

4．3 单根硼纳米带导热系数的实验测量

4．4 实验结果和讨论

4．5 本章小结

第五章 单根多壁碳纳米管的导热系数

5．1 不同直径的单根多壁碳纳米管的导热系数

5．2 碳纳米管的拉曼光谱

5．2．1 拉曼光谱介绍

5．2．2 碳纳米管的拉曼光谱

5．3 单根碳纳米管的本征导热系数

5．4 实验误差分析

5．4．1 蒙特卡罗方法的介绍

5．4．2 不确定度分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文