[发明专利]基于二氧化钒纳米线的纳米材料导热系数的测量系统

说明书

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。