[发明专利]一种适用于金属薄膜材料的3omega热导测量方案

权利要求书

1.一种适用于金属薄膜材料的3omega热导测量方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)针对基准金属薄膜材料与被测金属薄膜材料分别制备3omega测量系统的三层材料结构：金属薄膜线-介质薄膜-体硅衬底；

(2)对金属薄膜线的两个“I”端，分别输入高频与低频的交流电流，从“V”端处测量输出电压振荡信号，利用锁相放大器提取其中的一次谐波分量V_1ω和三次谐波分量V_3ω；

(3)根据下列表达式，将测量出的电压信号的三次谐波分量V_3ω转化为金属线温度变化ΔT_m：

ΔTm=2(V3ω-Vz-3ω)V1ωαTCR.]]>

其中，V_z-3ω根据本发明描述的改进模型推导给出

Vz-3ω=4αTCRI3R2π2LmSmρmCpm]]>

×1(Dmπ2Lm2+κsqK1(qr0)ρmCpmdmK0(qr0)m(ω))2+(2ω)2.]]>

这里L_m，d_m，S_m分别为金属加热线的长度，膜厚及截面面积。α_TCR为金属材料的温度系数，I为输入电流，R为金属线电阻，ω为输入电流角频；K₀(qr₀)和K₁(qr₀)分别为零阶和一阶贝塞尔函数，其中；ρ_m和C_pm分别表示金属薄膜的质量密度与热容，D_s、D_m分别为硅衬底和金属薄膜的热扩散系数，m(ω)为模型引入的热流比，用以表征金属与介质界面处的热量横向耗散与纵向耗散的比例；

(4)提取基准测试样品与被测样品在不同频点下介质薄膜的热导值，厚度为d_f的介质材料热导κ_f可根据温度偏移给出：

κf=I2RdfLmwm(ΔTm-ΔTs).]]>

硅衬底与介质的界面处的温度变化ΔT_s由下式给出：

ΔTs=I2RLmπκs(12ln(κsρsCpsr02)-12ln(2ω)+η-iπ4).]]>

其中，r₀为金属线宽w_m的一半，κ_s为硅衬底热导，ρ_s和C_ps分别为硅衬底密度与热容，η为与实验相关的结构常量；在保证介质热导值κ_f在高频区与低频区不变的前提下，可得到两组基准材料与被测材料各自热流比m(ω)的实验拟合值；

(5)从低频对应的两组m(ω)拟合值得到被测金属薄膜与基准材料的热阻比值，m(ω)、热阻及金属热导κ_metal三种物理量关系如下式所示：

m(ω)∝ΔTP=1κmetal-LmSm.]]>

借由已知热学信息的基准金属材料，通过实验拟合得到低频下的热流比，从而间接测量金属纳米薄膜的热导值κ_metal：

κmetalκcalibratio nl=m(ω)calibratio nlm(ω)metal.]]>

其中κ_calibrationl为已知基准金属材料的热导。