微纳米尺度下点接触的能量输运机理的研究

微纳米尺度下的接触问题不仅广泛存在于航天航空、核技术与工程、能源利用等工程领域，同时可用于研究界面处电子/声子的输运特性，具有重要的科学意义。目前由于测试技术的限制，所研究的接触点尺寸一般在微米级以上。本课题旨在精确系统地测量由交叉金属微米纤维构成的特征尺寸小于100 nm的节点的接触热阻和接触电阻，进而揭示微纳米尺度接触点处能量输运的微观传递规律。研究中拟整合直流稳态法和改进的3-omega法实验系统，实现在10－300K温度范围内金属型节点的接触热阻和接触电阻的同时测量；通过力学分析，结合接触热阻和接触电阻的实验结果，得到接触点的准确尺寸，理论预测考虑能量弹道输运和扩散输运过程的微纳米尺度节点的接触热阻；通过表征接触表面的绝缘层厚度，揭示绝缘层对接触热阻和接触电阻的影响规律；以实验测量和理论计算结果为依据，验证Wiedemann－Franz定律对金属型接触点的适用性。

接触/界面能量输运性质的研究是航天航空、微电子技术等领域的关键课题之一，开展相关实验和理论研究具有重要的科学意义和实用价值。在微纳米尺度点接触热阻研究方面，本项目设计加工了由交叉微米线构成的点接触热阻检测仪，搭建了直流稳态法和3-omega法的实验平台，分析了温度、作用力、材料和尺寸等因素对点接触热阻和接触电阻的影响；结合力学模型和Ansys软件，模拟得到了接触点的尺寸，计算了接触热阻随作用力的变化曲线；用原子力显微镜分析了进行腐蚀处理过后的金属纤维表面形貌，由于绝缘层的存在，Wiedemann-Franz定律在金属接触点出并不适用，Lorenz数随作用力增加而增大最后趋于稳定；由于电子平均自由程大于接触点尺寸，推导得到的接触点尺寸随温度升高而增大，因此必须考虑弹道能量输运过程。在界面传热研究方面，用原子力显微镜表征了金属薄膜表面粗糙度和厚度，用俄歇电子谱分析了沿厚度方向的元素分布，用飞秒激光热反射法测量得到的Al/Si界面热导随磁控溅射功率增加而增大，随负偏压增加而减小；通过化学气相沉积方法制备了石墨烯，采用磁控溅射和热蒸镀两种方法沉积了Al 薄膜，由于石墨烯的介入阻碍了界面原子间扩散，因此在一定条件下将增大界面热导。通过接触以及界面传热的研究工作，深入探讨了界面能量输运机理，发展了微纳米尺度传热测量技术，为进一步研究原子/分子接触处能量输运过程提供了有利理论和技术支持。