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特征尺寸为微纳米量级的薄膜是微纳电子器件的重要组成部分,其热特性在很大程度上决定了微纳电子器件的性能和使用寿命,因而探求薄膜的热特性具有重要意义。氧化锌(ZnO)和氧化铝(Al2O3)都是宽禁带半导体材料,在光学和微电子领域具有广泛的应用价值,然而对Al2O3／ZnO双层薄膜的热特性还缺乏足够的认识,因此,本文采用实验和数值模拟方法对Al2O3／ZnO双层薄膜的热导率进行了研究。
采用射频磁控溅射法在硅衬底上制备了厚度分别为300nm、500nm和800nm的Al2O3／ZnO双层薄膜样品,然后利用瞬态热反射技术在室温下测试Al2O3／ZnO双层薄膜的热导率。结果表明:当薄膜厚度从300nm增大到800nm时,Al2O3／ZnO双层薄膜的热导率逐渐增大,而热导率增大幅度不断减小,表现出一定的尺寸依赖性；Al2O3／ZnO双层薄膜的热导率比Al2O3和ZnO单层薄膜热导率的平均值小,具有明显的界面效应。
采用平衡分子动力学方法对Al2O3／ZnO双层薄膜的热导率进行数值模拟,研究了温度和薄膜厚度对Al2O3／ZnO双层薄膜热导率的影响。结果表明:当温度从300K升高到600K时,薄膜的热导率逐渐减小；当薄膜厚度从2.34nm增大到5.7nm时,薄膜的热导率不断增大,并且在厚度为5.2nm附近,热导率出现跳跃性增大。由此可知Al2O3／ZnO双层薄膜的热导率具有明显的尺寸效应和温度依赖性。
实验测试与数值模拟结果均表明:在室温下,Al2O3／ZnO双层薄膜的热导率随着薄膜厚度的增大而增大,具有一定的尺寸效应。实验测试与数值模拟两者相互补充,具有一定的研究价值。