有机基底上纳米/亚纳米金属薄膜的热电特性研究

Enhancements on thermal and electrical properties of electronic devices are very important to MEMS devices and interconnect components design and preparation. In this project, the nano/sub-nano thin metallic films on organic substrates will be investigated. The implementation of this program is based on the technology for thermophysical properties characterization in micro/nanoscale materials. Further measurement and analysis will be performed using differential technology and high accuracy instruments including nm-scale coater and polarizing microscope etc. The major research contents include: Experimental study on thermal properties of different organic substrates, thermal and electrical conduction and Lorenz number in sub-5 nm metallic films deposited on organic substrates; Mechanism study on impact of organic substrates on electron transport in coated metallic films, and characterize the contribution of influence such as thickness, surface roughness and environment temperature to improvement of electrical and thermal conduction. The goal is to explore the correlation between microstructure of substrate and electrical and thermal properties of metallic films. This proposed work will have scientific and practical significance to enhanced heat transfer of microelectronic devices, and provide the theoretical basis and data support for material preparation and performance optimization theories of flexible electronic devices.

提高电子器件导电和导热性能是MEMS器件和互连器件设计及制备亟待解决的重要科学问题。本课题拟以有机基底上附着的纳米/亚纳米金属薄膜作为研究对象，在微纳尺度材料热物性测试系统上，利用瞬态电热微分测量技术以及高精度的真空镀膜机、偏光显微镜等仪器，开展不同有机基底材料的导热性能以及基底材料上厚度小于5纳米金属薄膜导电、导热特性和洛伦兹数等实验研究；理论分析有机基底材料对金属薄膜中电子传导的影响规律，表征基底表面粗糙度、薄膜厚度、环境温度等影响因素对提高金属薄膜导电、导热性能的贡献，旨在揭示基底材料表面微观结构与纳米金属薄膜的导电、导热特性之间的内在机理。预期研究成果将为柔性电子器件材料制备和性能优化奠定一定的理论基础和实验数据支持，对微电子器件强化传热具有一定的科学意义和实用价值。

电子技术的进步对设备中柔性导电材料的性能提出了更高的要求，提高电子器件导电和导热性能是MEMS器件和互连器件设计及制备亟待解决的重要科学问题。近年来，金属薄膜作为互连材料在半导体工业中得到了广泛的应用，金属纳米薄膜—高分子基底结构的导电材料也逐渐应用到柔性电子领域中。由于纳米金薄膜平面内热传输难以测量，其热传导和洛伦兹数的研究具有非常大的挑战性，因此对金薄膜面内方向导热性能和基底对其导电、导热等性能的影响方面研究尚未有报道。本项目以有机基底上附着的纳米/亚纳米金属薄膜作为研究对象，利用瞬态电热微分测量技术以及高精度的真空镀膜机等仪器，开展了头发、蚕丝、海藻纤维、玻璃纤维、以及聚酰亚胺作为基底材料的导热性能以及这些基底材料上纳米级金属薄膜导电、导热特性和洛伦兹数等的实验研究，揭示了材料表面微观结构与纳米金属薄膜的导电、导热特性之间的内在机理。本项目中不同基底上金薄膜的导热和导电系数均小于体材料金的导热和导电系数，其中聚酰亚胺（PI）薄膜基底上金薄膜的导热、导电系数最大，PI薄膜更适合作为基底应用在柔性电子领域中。PI薄膜基底热处理温度越高，金薄膜的导热、导电性能越差，洛伦兹数变化不大。PI薄膜基底热处理时间越高，金薄膜的导热、导电系数呈先衰减后上升，最终趋于稳定趋势。研究成果将为金属薄膜柔性导电材料的制备和性能优化奠定一定的理论基础和实验数据支持，对微电子器件强化传热具有一定的科学意义和实用价值。