《AFM》：纳米晶硅纳米棒的热性能研究！

根据应用的不同，可能需要热学性能差异很大的材料。虽然对于热电应用来说，超低的导热系数是必不可少的，但在微电子的热管理中，高的热耗散速率是必不可少的。因此，了解纳米尺度的热输运对于为特定的应用设计具有优化的热性能的结构是至关重要的。在纳米尺度上控制热能传递和热学性质在许多应用中变得至关重要，因为这往往会限制器件的性能。

 

来自西班牙贝拉特拉大学的学者研究了自支撑纳米硅膜的纳米尺度结构对热导率的影响，以及制成悬浮式光机械纳米棒时比表面积比的增加对热导率的影响。本文还表征了不同的晶粒尺寸分布和几何尺寸对导热系数的相对影响，并阐明了不同的粒度分布和几何尺寸对导热系数的相对影响。采用微时域热反射方法研究了自支撑纳米硅膜的热导率，发现热导率急剧下降，降至10Wm^-1K^-1以下，且晶粒越小，热导率下降幅度越大。在光机械纳米结构中，由于表面散射竞争降低导热系数，这种等比在膜中要小。最后，本文介绍了一种新的通用非接触式表征技术，该技术可以适用于任何支持热移光学谐振的结构。相关文章以“Thermal Properties of Nanocrystalline Silicon Nanobeams”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202105767

图1.纳米硅的结构。a-c)平均晶粒尺寸为215 nm，T_a=950°C的nc-Si薄膜的光亮平面TEM图像，显示出晶粒的无序取向和较大的尺寸分布。d)选区电子衍射图像。 

图2.µ-TDTR测量的结构。a)悬浮nc-Si膜的SEM图像。b)纳米棒的扫描电镜图像。左下角光束的布拉格镜显示为红色，OM腔的一半显示为蓝色。作为µ-TDTR测量传感器的中央金垫以黄色突出显示。

 

图3.纳米晶硅薄膜的热性能。a)作为退火温度T_a和对应的两个膜长度L的平均晶粒尺寸的函数测量的散热率γ。b)相同膜的热导率作为T_a(浅蓝点)的函数。红星表示220 nm厚的c-Si膜的估计导热系数。小蓝点表示用拉曼测温法和TTG技术测量的c-Si膜的热导率。条纹表示基于Fuchs-Sondheimer模型(蓝色)的膜和使用Mayadas模型的圆形纳米线(直径220 nm，固定载流子反射参数Rb=0.5)的计算结果。

 

图4.纳米结构和晶粒尺寸对散热速率的影响。用µ-TDTR技术测量了散热率γ随纳米束长度和退火温度T_a的变化。灰点表示从几何相同的单晶纳米棒测量的速率。平均γ为6.25µm长的纳米棒，随退火温度变化。仅为清晰起见，误差条与来自SOI样本的数据一起显示，并与相同长度结构中的测量标准偏差相对应。

 

图5.信噪比对散热率的影响。在平均晶粒尺寸为163(T_a=650°C，蓝色)、215 nm(T_a=950°C，红色)和单晶硅c-Si(灰色)制成的纳米棒中，散热速率γ随S/V比的变化而变化。

 

图6.光学共振冷却原理。a)涉及FBER环和纳米束的实验配置示意图。沿光束从红到蓝的梯度表示泵浦诱导的温度分布，而探测激光用黄色表示。b)平均晶粒尺寸为187 nm的样品通过光纤的透射谱。在低功率下测量的透射率，即在没有加热腔体的情况下测量的透射率，如蓝色轨迹所示。红迹显示在较高激光功率(5 MW)下腔的加热，第一个光学共振热移到更长的波长。光谱是通过将泵浦激光从短波长扫到长波长而得到的。

 

图7.使用光学共振冷却的热测量。a)冷共振和热共振之间的探测激光器的不同波长示意图。(a)冷共振和热共振之间的探测激光的不同波长示意图。b)在探测激光器的不同波长下测量的腔体温度。(b)在不同波长的探测激光器下测量的腔温度。冷却速度或衰减率是从指数衰减曲线(虚线)中提取的。c)示波器记录的不同探头激光波长的光信号。

 

综上所述，本文用几种不同的实验技术研究了纳米硅OM晶腔的结构和热学性质。达克费尔德透射电镜分析表明，不同的退火温度会导致不同的晶粒尺寸分布，从而影响材料的热性能。本文使用微时域热反射率来测量纳米晶薄膜的散热速率，观察到与单晶薄膜相比有很大的降低。这归因于晶界上的声子散射。通过使用泵浦探测技术来测量局域光学共振的冷却速率，我们能够在不改变结构的情况下提取纳米棒中的热衰减率。所得结果与热反射技术的结果一致，表明这种新的非接触式方法对所有具有光学腔体的纳米结构都具有很强的应用潜力。（文：SSC）