《AFM》：奈米晶矽奈米棒的熱效能研究

根據應用的不同，可能需要熱學效能差異很大的材料。雖然對於熱電應用來說，超低的導熱係數是必不可少的，但在微電子的熱管理中，高的熱耗散速率是必不可少的。因此，瞭解奈米尺度的熱輸運對於為特定的應用設計具有最佳化的熱效能的結構是至關重要的。在奈米尺度上控制熱能傳遞和熱學性質在許多應用中變得至關重要，因為這往往會限制器件的效能。

來自西班牙貝拉特拉大學的學者研究了自支撐奈米矽膜的奈米尺度結構對熱導率的影響，以及製成懸浮式光機械奈米棒時比表面積比的增加對熱導率的影響。本文還表徵了不同的晶粒尺寸分佈和幾何尺寸對導熱係數的相對影響，並闡明瞭不同的粒度分佈和幾何尺寸對導熱係數的相對影響。採用微時域熱反射方法研究了自支撐奈米矽膜的熱導率，發現熱導率急劇下降，降至10Wm-1K-1以下，且晶粒越小，熱導率下降幅度越大。在光機械奈米結構中，由於表面散射競爭降低導熱係數，這種等比在膜中要小。最後，本文介紹了一種新的通用非接觸式表徵技術，該技術可以適用於任何支援熱移光學諧振的結構。相關文章以“Thermal Properties of Nanocrystalline Silicon Nanobeams”標題發表在Advanced Functional Materials。

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

圖1.奈米矽的結構。a-c)平均晶粒尺寸為215 nm，Ta=950°C的nc-Si薄膜的光亮平面TEM影象，顯示出晶粒的無序取向和較大的尺寸分佈。d)選區電子衍射影象。

圖2.µ-TDTR測量的結構。a)懸浮nc-Si膜的SEM影象。b)奈米棒的掃描電鏡影象。左下角光束的布拉格鏡顯示為紅色，OM腔的一半顯示為藍色。作為µ-TDTR測量感測器的中央金墊以黃色突出顯示。

圖3.奈米晶矽薄膜的熱效能。a)作為退火溫度Ta和對應的兩個膜長度L的平均晶粒尺寸的函式測量的散熱率γ。b)相同膜的熱導率作為Ta(淺藍點)的函式。紅星表示220 nm厚的c-Si膜的估計導熱係數。小藍點表示用拉曼測溫法和TTG技術測量的c-Si膜的熱導率。條紋表示基於Fuchs-Sondheimer模型(藍色)的膜和使用Mayadas模型的圓形奈米線(直徑220 nm，固定載流子反射引數Rb=0.5)的計算結果。

圖4.奈米結構和晶粒尺寸對散熱速率的影響。用µ-TDTR技術測量了散熱率γ隨奈米束長度和退火溫度Ta的變化。灰點表示從幾何相同的單晶奈米棒測量的速率。平均γ為6.25µm長的奈米棒，隨退火溫度變化。僅為清晰起見，誤差條與來自SOI樣本的資料一起顯示，並與相同長度結構中的測量標準偏差相對應。

圖5.信噪比對散熱率的影響。在平均晶粒尺寸為163(Ta=650°C，藍色)、215 nm(Ta=950°C，紅色)和單晶矽c-Si(灰色)製成的奈米棒中，散熱速率γ隨S/V比的變化而變化。

圖6.光學共振冷卻原理。a)涉及FBER環和奈米束的實驗配置示意圖。沿光束從紅到藍的梯度表示泵浦誘導的溫度分佈，而探測鐳射用黃色表示。b)平均晶粒尺寸為187 nm的樣品透過光纖的透射譜。在低功率下測量的透射率，即在沒有加熱腔體的情況下測量的透射率，如藍色軌跡所示。紅跡顯示在較高鐳射功率(5 MW)下腔的加熱，第一個光學共振熱移到更長的波長。光譜是透過將泵浦鐳射從短波長掃到長波長而得到的。

圖7.使用光學共振冷卻的熱測量。a)冷共振和熱共振之間的探測鐳射器的不同波長示意圖。(a)冷共振和熱共振之間的探測鐳射的不同波長示意圖。b)在探測鐳射器的不同波長下測量的腔體溫度。(b)在不同波長的探測鐳射器下測量的腔溫度。冷卻速度或衰減率是從指數衰減曲線(虛線)中提取的。c)示波器記錄的不同探頭鐳射波長的光訊號。

綜上所述，本文用幾種不同的實驗技術研究了納米矽OM晶腔的結構和熱學性質。達克費爾德透射電鏡分析表明，不同的退火溫度會導致不同的晶粒尺寸分佈，從而影響材料的熱效能。本文使用微時域熱反射率來測量奈米晶薄膜的散熱速率，觀察到與單晶薄膜相比有很大的降低。這歸因於晶界上的聲子散射。透過使用泵浦探測技術來測量局域光學共振的冷卻速率，我們能夠在不改變結構的情況下提取奈米棒中的熱衰減率。所得結果與熱反射技術的結果一致，表明這種新的非接觸式方法對所有具有光學腔體的奈米結構都具有很強的應用潛力。（文：SSC）

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