Experimental and Numerical Study of Temperature Wave Analysis Method Applied on Measuring the Thermal Conductivity of Silicon Dioxide Film

摘要

本研究為應用溫度波分析法針對微奈米尺度下的薄膜進行熱傳導係數量測與分析研究。整體論文架構上分為數值模擬與實驗兩大部分，模擬方面使用ANSYS Transient Thermal作為數值分析模擬軟體，探討溫度振盪頻率以及振幅大小對不同厚度、材料熱傳導係數量測的影響，並從模擬結果上知不同厚度的待測薄膜有其所適用的溫度振盪頻率區間，且隨著薄膜厚度減少其溫度振盪頻率應隨之遞減；在?度振幅方面則是將溫度振幅控制在1°C以內的結果最為準確；模擬中分別對厚度為600 nm的PE、TiO2、SiO2三種不同材料進行數值模擬，其所適合的溫度振盪頻率皆在0 022 Hz區間左右，因此可預測對於低熱導率之薄膜材料，其溫度振盪頻率的選用僅與薄膜厚度有關。 實驗方面將實驗架構分為測試模組、溫度輸出系統、量測系統、資料後處理四部分，其中實驗流程為首先委託成大奈米中心利用電子束蒸鍍機在316不鏽鋼基板上蒸鍍一層600 nm SiO2，接著在不鏽鋼基板下表面連接熱電致冷片(Peltier)並以可程控直流電源供應器控制其溫度頻率、振幅大小；量測系統方面則分別在基板與薄膜兩不同界面放置熱電偶並擷取其溫度變化，最後將實驗結果代入MATLAB進行資料後處理以求得相位差，將相位差代入理論公式推導出熱擴散係數並將其乘上密度與比熱即可求得熱傳導係數。 實驗參數方面選用溫度振盪頻率為0 025 Hz、振幅1°C進行量測，其求得600 nm SiO2熱傳導係數為0 92(W/mK)，其中多篇參考文獻所求得之熱傳導係數以0 9(W/mK)至1 2(W/mK)最為常見，該結果與參考文獻相符合。

獎項日期	2020
原文	English
監督員	Alex Chang-Da Wen (Supervisor)