半导体纳米结构内部界面热阻与热输运机理研究

半导体纳米膜、线、颗粒等材料以其可调控的低维导热特性成为微电子、光电子、高效热电能量转换等器件的优选材料，但由于材料尺度的减小以及与界面的相互作用，其界面热阻等导热特性相对常规尺度半导体材料发生了较大变化。实验上，本研究拟应用宽频多次谐波探测系统和激光光热反射系统相结合，在50-400K范围内测量厚度20-200nm范围内半导体薄膜结构内部界面热阻，从中获得载能粒子相互作用及其规律，揭示界面热阻的温度和尺度效应；理论上，采用基于晶格动力学的声子谱法研究半导体纳米薄膜在其厚度量级与声子平均自由程相当后的改变，以及薄膜与基体之间、薄膜与薄膜之间相互作用对半导体纳米薄膜声子的影响，分析微观导热机制；以实验测量和数值计算结果为依据，从波尔兹曼方程出发研究半导体纳米薄膜界面上的能量传递规律；找出调控微纳米尺度半导体结构内部界面热阻的途径和方法。

半导体纳米结构中纳米薄膜与基体之间的界面热阻在热输运过程中起主导作用，纳米薄膜近界面区域受声子主导的热输运极为复杂。搭建了室温至500 K真空加热宽频3ω法测试系统，测试频率达MHz。建立了基于频率扫描的热阻抗网络模型并结合电流扫描3ω法，得到ZrO2、SiO2增透膜与基体之间的界面热阻分别为0.108 m2·K·MW-1和0.066 m2·K·MW-1。分别采用宽频3ω法和双波长飞秒激光泵浦探测系统，进行了纳米薄膜界面热阻温度效应和空间尺度效应实验研究。采用宽频3ω法和热阻抗网络模型，在270-380K范围内，测试的界面热导随温度的变化为hBD,DLC-CNT~T0.88 和 hBD,CNT-Si~T0.82；声子非弹性散射模型预测结果比实验值大2-3个数量级，高温下光学声子强化了界面热输运。利用双波长飞秒激光泵浦探测系统测量的Al-HfO2-Si的测量结果显示，有效界面热导随HfO2薄膜厚度的增加不断减小。采用分子动力学和声子输运理论，预测了碳纳米管、石墨烯与Si基体之间的界面热导，对半导体纳米结构的热整流效应进行了理论模拟。揭示了近界面区域的声子约束和非弹性散射在近界面区域能量传递过程起主导作用。