一种原子尺度微观热导率的测量方法

本发明涉及热导率测量，具体涉及一种原子尺度微观热导率的测量方法。

背景技术：

1、热导率是材料的基本属性之一，定义为单位温度梯度下的热流密度，描述了材料在非平衡态下传导热量的本领。通常体热导率的单位为瓦特每米每开尔文(wm-1k-1)，而界面热导率为瓦特每米平分每开尔文(wm-2k-1)。热导率的数值提供了材料导热性能和热能传递特性的重要信息，对于热管理、散热设计和热传导应用具有重要意义。在电子器件不断集成化和小型化的今天，测量材料的微观热导率对于热管理和优化材料内部热输运具有更为重要的意义：随着器件尺寸的缩小和内部结构复杂度的提高，界面处的热阻开始占主导，测量界面处的微观热导率对于设计散热系统、热界面材料和热障碍材料至关重要；对于新型的对温度敏感的功率电子器件，优化散热材料的微观热导率可以提高设备性能和寿命，而对于新型热电材料，了解内部的微观热导率对于优化热电性能至关重要。传统的热导率测量方法比如热流计法和激光闪射法，可以获得材料的宏观热导率，反应其平均的导热能力，但不具有空间分辨能力，无法获得特定位置的微观热导率。近年来，基于各类显微镜和光谱学，发展出很多新型的测量方法可以获得微观热导率，但是有一定的局限性。

2、光热拉曼法通过改变激光功率加热光点处样品，利用拉曼谱的频移或斯托克斯峰与反斯托克斯峰的比值测量光点处的温度值，从而推出光点处的热导率，可用于测量单层石墨烯的热导率。其局限性是由于光的衍射极限，不具有百纳米以下的空间分辨率，而且需要得知材料各处吸收激光的功率，对复杂体系的分析较为困难。时域热反射(tdtr)利用泵浦激光加热，同时测量表面金属的反射率，通过反射率与温度的对应关系，获得温度随时间的变化，从而计算热导率，可用于测定异质结的界面热导。然而该方法要求样品尺寸在微米以上，缺少空间分辨率，且对于复杂的材料体系，难以分析各处的热导率。扫描热显微镜(sthm)利用扫描探针末端的微型电阻温度计和加热器，可以扫描样品表面的温度分布，也可通过热探头的温降直接分析微区热导，空间分辨率可达50nm。其缺点是只能分析材料表面，并且探针与表面的未知接触热阻无法忽略。

3、总之，现有的技术无法在纳米和原子尺度获得微观热导率，且难以分析多材料体系，这主要是因为表征手段的空间分辨率不足，以及缺少一种有效的对样品微纳加工的方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种原子尺度微观热导率的测量方法，用于在纳米和原子尺度测量温度分布，并分析微观热输运，获得微区热导率和界面热导率。

2、本发明的原理是对于具有稳定温度梯度的样品，通过测量纳米和原子尺度的局域温度分布，获得各处温度梯度，进而根据傅里叶导热定律得到局部的微观热导率。

3、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

4、一种原子尺度微观热导率的测量方法，包括如下步骤：

5、s1.对待表征微观热导的样品进行预处理，制得预处理样品，获得预处理样品某一组分的宏观平均热导率；

6、s2.利用聚焦离子束技术将s1所述预处理样品进行微纳加工，构建有待表征微观结构或界面的导热路径条带，路径条带一端沉积电路并连接电极加热区域，形成热端，另一端连接基体散热，形成冷端，制作成局部加热产生温度梯度的透射电镜样品；

7、s3.使用原位加热系统在透射电镜内对s2所述透射电镜样品进行表征，给样品加设定的电流，将路径条带的热端进行加热，冷端散热，在待测微观热导的透射电镜样品的路径条带上构建稳定的温度梯度；

8、s4.使用扫描透射电镜采集s3所述产生温度梯度的透射电镜样品的路径条带各处电子能量损失谱，获得样品路径条带不同位置的声子振动谱；利用获得的声子振动谱根据玻色分布的声子峰强度计算产生温度梯度的样品路径条带的各处温度及温度梯度；

9、s5.根据一维导热模型中热导率与温度梯度成反比关系，获得样品路径条带的微观热导率的相对值。

10、优选的，

11、所述s4具体为：

12、对样品路径条带从冷端到热端连续空间逐点扫描，采集电子能量损失谱，对零损失峰右侧的电子能量损失部分和零损失峰左侧的电子能量增益部分分别去除背景信号，得到损失谱loss(ω)和增益谱gain(ω)；

13、其中增益谱来自透射电子中与样品材料声子相互作用时获得能量的非弹性散射的电子，对应声子的湮灭过程，等于声子态密度d(ω)乘以激发态声子数<n>，而损失谱来自透射电子中与样品材料声子相互作用时失去能量的非弹性散射的电子，对应声子的产生过程，为声子态密度d(ω)乘以激发态与基态的声子数之和<n>+1；其中<n>是激发态声子数的统计平均值，随温度增加而增加，声子服从玻色分布，<n>可表示为

14、

15、其中，是声子的能量，等同于电子能量损失谱中电子损失或增益的能量，kb是玻尔兹曼常数，t是温度；

16、对于任一位置处采集到的声子谱，其损失谱loss(ω)和增益谱gain(ω)之间存在比例关系，比例函数与该点处的温度t有关，即

17、

18、具有温度依赖的残差谱理论上应该为零，通过最小二乘拟合得到该点对应的温度值；

19、对空间范围内采集各点的声子谱计算温度，得到一定空间范围内的温度分布t(x,y)，进而可求出温度梯度

20、优选的，

21、所述s5具体为：

22、样品路径条带按照一维导热模型处理，适用于一维傅里叶传热定律

23、

24、其中，j为热流密度，是单位横截面积上的热流；k是热导率，是在传热路径方向上的温度梯度；忽略传热路径上的热耗散，视为总热流不变，条带路径的宽度不变，厚度视为均匀，近似为热流密度处处一致，则有各个位置的微观热导率与该处的温度梯度成反比

25、

26、其中，k是界面热导，δt界面是界面两侧的温差；

27、根据声子振动谱求出任意点处的温度梯度则这些点处的微观热导率与温度梯度成反比，进而得到各处微观热导率的相对值。

28、优选的，

29、所述s2具体为：

30、s2.1在s1所述预处理样品上选取取样区域，在取样区域上方和下方分别用离子束刻蚀出深度超过15μm的坑，两个刻蚀区域的上下宽度在10μm～20μm之间，左右宽度超过取样区域的宽度；在紧贴取样区域的上下方用离子束刻蚀，使取样区域的上下侧面平整；

31、s2.2插入探针，探针针尖与取样区域的上侧面接触，在针尖位置沉积碳，使探针与取样区域焊接，使取样区域与样品完全分离；

32、s2.3在四电极基片的电极位置刻蚀出略大于取样区域尺寸的凹槽，其深度略小于取样区域的厚度，将取样区域嵌入凹槽内，在取样区域样品四角沉积碳，使其分别与四个电极相连，取样区域样品焊接在基片凹槽内，刻蚀掉探针针尖上沉积的碳，使针尖与取样区域样品分离，刻减薄上表面多余的碳，使样品上表面平整化；

33、s2.4选定一个设定的区域上下减薄，使薄区厚度为50nm以下，在薄区上刻蚀出平行于传热方向的路径条带，在薄区一端沉积大量的碳与基片基体相连，构建散热通道，在薄区另一端沉积较薄的碳作为加热电阻，在电极处补充沉积大量的碳，使加热电路中的电阻集中在贴近薄区的下方。

34、优选的，

35、根据s5获得的微观热导率的相对值，得到样品路径条带不同位置的微观热导率成比例的关系；通过查询或测量样品任一组分的宏观热导率绝对值，作为标准值标定出该处的微观热导绝对值，从而得出其他全部位置的微观热导率的绝对值。

36、优选的，

37、结合获得的宏观热导率绝对值，计算出样品各处微观热导和界面热导的绝对值；界面热导的绝对值表示为

38、

39、其中，k1是样品材料一的体热导率。

40、优选的，

41、针对样品路径条带厚度不均匀的情况，利用电子能量损失谱计算样品路径条带各处厚度，对微观热导率进行修正，相应的公式变为

42、

43、其中，t是不同位置的厚度，通过在电镜内采集样品区域的等离激元谱计算得到。

44、优选的，

45、所述s1中样品预处理包括将样品切割成可放入扫描电镜的小块，所述小块各尺寸为1cm以下，研磨抛光，表面喷碳或喷金使其导电。

46、优选的，

47、所述s4中透射电镜带有球差矫正器和单色仪，空间分辨为60pm以上，能量分辨为7mev以下。

48、本发明的有益效果是：

49、本发明提供的方法可以在纳米甚至原子尺度测量局域温度信息，从而对样品内部不同位置各个结构的微观热导率进行定量分析，具有测量精确、空间分辨率高、可研究纳米尺度热输运和微区热导率等优点，适用于复杂结构和多种材料体系的样品。