【正文】 。 B）放大圖像 A。 D） 18 條具有單片硅金屬觸點(diǎn)的 并聯(lián)的 10nm 硅納米線。 E）和 F）圖像分別代表 20nm 和 10nm的硅納米線在這項(xiàng)研究中的使用。 方案 ： 懸浮硅納米線的制造流程圖。干法蝕刻用于在未受保護(hù)的區(qū)域（ III）去除氧化物，然后再是利用 XeF2的（ IV）各項(xiàng)異性刻蝕。 為了導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量， 納米線和熱水器懸浮在 約 600微米乘以 600微米的面積的鉑上的 。 方案 懸浮 納米線 的 制造步驟。 一個(gè) 由 CF4/He（ 20 sccm/30 sccm， 10毫托， 40W）組成的 干法蝕刻 用于蝕刻 ? 150納米氧化物（ SOI框?qū)樱?，?露出硅手柄。 保留在設(shè)備上的 聚甲基丙烯酸甲酯表層 被 蝕刻 在氧電漿 上 （ 20毫托， 20sccm， 5 5W） 5分鐘。芯片載體被連接到一個(gè) 定制 的芯片載體插座 可以使 芯片載體的銅件 與 鍍金 銅件 的低溫恒溫器的 把柄 緊密接觸 （圖 ， C） 。 圖 ： A） 具有鍍金銅件手柄的冷指氮液 低溫恒溫器 配 包含芯片載體插座，其芯片載體插座是由銅件制成的芯片載體 。 B） 設(shè)備的高分辨率照片 連線 到一個(gè)芯片載體 上 。 低溫恒溫器手柄的溫度是由 PID溫度控制器 通過(guò)加熱器 和 硅二極管熱電偶控制 的 。 圖 ： 懸浮 10nm硅納米線設(shè)備是用來(lái)測(cè)量 熱電 勢(shì) ，熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的。 兩個(gè)加熱器（紅色箭頭， HI1HI2）的 其中一個(gè)通上電流 ，測(cè)量 4點(diǎn)電阻 加熱器 以確定電壓降（ HV1HV2） 。兩 只溫度計(jì)之間 的溫 差是 由確定兩 溫度計(jì) （左溫度計(jì)電壓（ TLV1TLV2） 的 4點(diǎn)電阻 和電流（ TLI1TLI2）） 以作為 加熱器的 功率 和低溫恒溫器的 函數(shù) 來(lái)測(cè)量的 。 圖 ： A） 硅納米線 的熱電性 能 的 電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝配和 儀器。 兩個(gè)鉑溫度計(jì)（左，右）的 4點(diǎn)電阻分別由 SR830鎖相放大器（每 個(gè)溫度計(jì) 里有兩個(gè) ） 、 （ b）和（ c）記錄 。吉時(shí)利 2182A納伏表（ e）是用于 記錄兩 溫度計(jì) 之間的熱電壓或 者測(cè)量懸浮 加熱器的 4點(diǎn)電壓來(lái)測(cè)量熱電系數(shù) 。配置件將被保存在冷 指 氮 液低溫恒溫器（ b） 中 ，溫度 通過(guò) PID溫度控制器（ e）的加熱器和硅二極管傳感器 控制的。 C） 所有的儀表和溫度控制器 用 Labview程序 控制。 圖 ： 20nm硅納米線的熱電壓的是加熱器功率的線性函數(shù)。由于加熱器是相同的并且與納米線的距離幾乎也是相同的，兩個(gè)加熱器在相同的功率消耗的情況下，溫度梯度以及熱電壓也是相同。誤差條線代表六次測(cè)量中的標(biāo)準(zhǔn)偏差（σ）。 其他地方 描 述 過(guò) 一個(gè)方法被應(yīng)用于硅納米線的熱電勢(shì)的 測(cè)量。實(shí)驗(yàn)裝置如圖 。為了獲得熱電 勢(shì) ， S=dVp/dT，納米線相 等 點(diǎn) （內(nèi)部金屬導(dǎo) 線， 圖 ）之間的熱電壓和溫度差是 獨(dú)立 獲得的，其作為 2點(diǎn)加熱器 動(dòng)力 的 函數(shù) 。 我們 對(duì)每一個(gè)設(shè)備 進(jìn)行了測(cè)試，以確保錄得的電壓是 根據(jù) 溫度梯度 的 并且 不泄漏 的 等。正如預(yù)期的那樣（圖 ）， 當(dāng)溫度梯度反轉(zhuǎn)時(shí)， 熱 電 壓開(kāi)關(guān) 發(fā)出信號(hào) 。 另外，由于焦耳熱是獨(dú)立的電流方向， 加熱器 中 的電流 反轉(zhuǎn) 不會(huì)改變 信號(hào) 或熱電壓的 幅值 （圖）。第一個(gè)測(cè)量，兩個(gè)溫度計(jì) (RLT左 , RRT右 )的電阻同時(shí)被測(cè)量并作為加熱器功率（或左或右加熱器）（圖 ）的函數(shù)。第二次測(cè)量假設(shè)兩個(gè)溫度計(jì)的電阻和低溫恒溫器支架溫度（ dT）的關(guān)系是由一個(gè) Lake Shore 331溫度控制器（圖 ）控制的。一個(gè)鎖相放大器是用來(lái)測(cè)量電流（圖 ， TLI1TLI2 或 TRI1TRI2），而其他是用來(lái)衡量在硅納米線短節(jié) (圖 , TLV1TLV2或 TRV1TRV2)中的電壓降。左邊的溫度計(jì)更加 靈敏 ，因?yàn)樗墙咏蠹訜崞?。插圖：溫度計(jì)電阻和加熱 器 功率之間的線性關(guān)系， dRT/dWLH. B） 當(dāng)?shù)蜏?恒溫器的溫度（藍(lán)色，右 Y軸）由 1K逐步增加時(shí)，兩個(gè)溫度計(jì)的電阻（黑色和紅色，左邊 Y軸）也 進(jìn)行 同步 實(shí)時(shí)測(cè)量。 在 每個(gè)溫 度 點(diǎn)， ? 800電阻 點(diǎn)收集 起來(lái)并且其中的最后的 150個(gè)點(diǎn)被平均化 。為方便起見(jiàn)，在這里 所有 電阻由初始電阻 R0歸一化。 圖 展示了沿著硅納米線的確定溫度梯度的測(cè)量作為加熱器功率函數(shù)（等式 ）。平均每個(gè) 電壓是電流 的五倍。 這項(xiàng)研究中 在利用摻雜 制度 的 20nm電線的 單片接觸 不是必須的，因?yàn)榻佑|電阻是可忽略不計(jì)的 。阻力 單片在平面接觸（灰點(diǎn)，低分段）的使用后明顯 下降， 反而 直接接觸納米線（黑點(diǎn)，上插圖）。 為了直接比較，電流 被歸一為每單元線的每單元長(zhǎng)度。 熱導(dǎo)率 。在參考 25中提到的方法應(yīng)用于分別從其他設(shè)備（自下而上）上制作而來(lái)的納米線和納米管的制作。因此，一維的納米結(jié)構(gòu)是完全從基板上脫離的，但除了附在懸浮薄膜上的兩點(diǎn)。因此，納米線的構(gòu)建是依附在底部氧化層上的，并在測(cè)量之前應(yīng)該從底板上合理地被釋放在某些點(diǎn)上。在此例子中懸浮納米線的唯一的方法是用濕法刻蝕，比如 BOE法。如果納米線在最后一步被懸浮，那么其他懸浮結(jié)構(gòu)將破裂。 Xe F2的各向同性蝕刻是針對(duì)硅的，不蝕刻氧化。并減去產(chǎn)生硅納米線的 熱傳導(dǎo)的兩個(gè)值。事實(shí)上，樣品被蝕刻在 XeF2室里而其余的線連接到芯片載體上。 B） 放大 懸浮氧化物島 的 SEM，其 包含兩個(gè)加熱器和兩個(gè)溫度計(jì)。 C） 在 XeF2的硅納米線蝕刻后， 從 B中得到的元件 。 圖 作為在 XeF2蝕刻前（圖 ）后（圖 ）的硅納米線測(cè)量的典型的 懸浮裝置 。 方法的第二個(gè) 分歧 是由 Shi等人描述的并且我們的構(gòu)建過(guò)程中提到的方法 是 可 允許全優(yōu)值測(cè)量， 包括 在單一設(shè)備上的 熱電勢(shì)，電導(dǎo)率 和熱導(dǎo)率的測(cè)量。這 可以 使我們能夠更準(zhǔn)確地 沿著納米線 測(cè)量溫度梯度 ，因?yàn)槲覀儾荒芗僭O(shè)加熱器下方的氧化物是等溫的。對(duì)于每一個(gè)溫度計(jì)，一個(gè)放大器提供150250nA， 913赫茲的正弦勵(lì)磁電流，而其他放大器 測(cè)量溫度計(jì)的一個(gè)短區(qū)（其寬度是納米線陳列的寬度 (~5 μm) ） 的電壓降（ 1050μ V的順序） 。 在兩個(gè)帶有直流電流 (QL)的鉑導(dǎo)線上消失的熱量是根據(jù)從總的 （ 2點(diǎn)） 加熱器消失的 焦耳熱 減去 Qh。然后，硅納米線 的 (κ NW)導(dǎo)熱率可以從 下列 公式 計(jì)算 得出 ： 其中 n， LNW 和 ANW分別為 數(shù)量，長(zhǎng)度和納米線橫截面面積。在半導(dǎo)體中，聲 子傳遞著相當(dāng)部分的熱量。假如 摻雜劑 所占比重足夠高，電導(dǎo)性可以被最優(yōu)化而不影響其熱導(dǎo)性。首先，適當(dāng) 摻雜 度的半導(dǎo)體的熱電勢(shì) (Sd)的電子量、或擴(kuò)散及組成部件，是通過(guò)如下關(guān)系受 空穴濃度 影響的： 圖 : A) P 型 20 nm 硅納米線 的 4點(diǎn)電阻作為 柵電壓(VG)。每一電壓數(shù)據(jù)都是由 VP 的六個(gè)測(cè)量值的平均值獲得的，其標(biāo)準(zhǔn)偏差由錯(cuò)誤條線代表。熱電勢(shì)由柵電壓的四個(gè)數(shù)值獲得： 1V（綠色正方形）， 0V（紅色三角形）， +1V（黑色圓圈）和 +（藍(lán)色方形）。另外，由于 聲子曳引 ，大量的硅 鍺 熱電勢(shì)，隨著雜質(zhì)原子和載體流子的數(shù)量增加而顯示了明顯的下降。項(xiàng)目的最開(kāi)始，主要的參數(shù)空間未暴露，決定最大功率因素 S2σ 行使硅納米線中的載流子濃度 的功能，成為非常重要的部分。我們獲取的納米線 (ptype, ~5e18 cm3)的十個(gè) Al2O3 電介質(zhì)的指數(shù)，以及鉑電極的指數(shù)顯示在圖 中。然而，熱電勢(shì)，如數(shù)據(jù)，僅僅增加了 倍。我們同樣期待聲子 曳引 的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)大量減少低參雜的硅納米線的電導(dǎo)性能，可以完全補(bǔ)充低參雜的硅材料。數(shù)據(jù) 顯示的是電導(dǎo)性能為 10 nm, 20 nm 及 500 nm，雜質(zhì)濃度為 5x1019 和 2x1020 cm3 的寬型 P型納米線的溫度特性。納米線的參雜等級(jí)如圖所示。簡(jiǎn)并摻雜 (1020 cm3)為 10 nm 和 20 nm寬的硅納米線，電導(dǎo)率的金屬依存度的顯示相當(dāng)于 500 nm 的寬線，稱之為 σ ∝ T1。 10 nm電線的金屬特性是在 SOI薄膜的參雜溫度大于等于 1000 oC的情況下觀察的。參雜原子的平均數(shù)量的浮動(dòng)或變化，隨著電線的寬度的縮小，將扮演非常重要的角色。我們?cè)噲D將電線的寬度減小到小于 10 nm，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)性能隨之進(jìn)一步減小。因此，制作寬度小于 10nm且擁有強(qiáng)導(dǎo)電性能的納米線，將是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。如上文所討論的，在低于 1019cm3的情況下參雜，其低導(dǎo)電率導(dǎo)致了所用材料的低優(yōu)值。如今，在 應(yīng)變硅 中發(fā)現(xiàn)了新型的且重要的線性 材料電光效應(yīng) 。這樣的應(yīng)變效應(yīng)破壞了硅的晶體結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)變硅是一種擁有新型的光電性能的材料。圖 10nm和 20nm寬的納米線 (~5e18 cm3摻雜水平 )在與 μm PECVD 的氮化硅 簡(jiǎn)并之前及之后的電導(dǎo)性能的變化。在硅體氮化后，熱電勢(shì)測(cè)量顯示，并未產(chǎn)生顯著變化。初步的數(shù)據(jù)顯示了硅納米線的電導(dǎo)性能在適當(dāng)?shù)膽?yīng)變下，能大大地改善。插圖： SEM圖樣為氮化硅覆蓋納米線。低熱導(dǎo)性能有助于在溫度梯度場(chǎng)中的熱量的流失。 通常情況下，在室溫下，主要的熱量載體聲子的 平均自由程 為 10 到 100 nm。硅量子線中聲子傳送模式會(huì)產(chǎn)生熱導(dǎo)性能的下降，這是由于聲子的空間限制。 圖 ： P型 20nm硅納米線 (~7e19 cm3)的電流及電壓數(shù)據(jù) 。最后，第一個(gè)關(guān)于硅納米線熱導(dǎo)性能的數(shù)據(jù)是來(lái)自于 Majumdar等。由于熱導(dǎo)性能的下降與電線直徑相關(guān)，作者結(jié)論為聲子界限的分散是其下降的主要原因。 運(yùn)用 SNAP 方法，我們測(cè)量了硅納米線的熱導(dǎo)性能。如這章所闡釋的分析方法，將納米線從氧化的底面脫離出來(lái)，仍保持懸浮熱源的完整性，將會(huì)是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。兩組數(shù)據(jù)的差距是由于納米線的熱導(dǎo)性能不同。不同寬度的電線的熱導(dǎo)性能的數(shù)據(jù)顯示在圖 。減小電線的寬度將對(duì)其熱導(dǎo)性能產(chǎn)生重大的影響， 10nm 寬（ 20nm厚）的硅納米線的熱導(dǎo)性能將降低至 Wm1K1。用 SNAP 方法而導(dǎo)致硅納米線的表面粗糙也能大大地降低熱導(dǎo)性能的下降。在室溫下，重度參雜(1019 cm3)的塊狀硅的 塞貝克系數(shù) 達(dá)到在 ~400 到 500 μV/K之上，是非常困難的。假設(shè) 空穴摻雜 發(fā)生在重硅中，將產(chǎn)生 Ef= eV=880K 和 kf= 1 for n=3e19 Se(T)=aT where a= μV/K2. 圖 塞貝克系數(shù) 及溫度。然而，參雜濃度小于 10∝ 20 cm3 的硅納米線的 塞貝克系數(shù) 顯示了不同的溫度特性。這種現(xiàn)象是在 10nm寬的和 20nm寬的納米線中觀察到的，但 500nm寬的樣本并未出現(xiàn)這種情況。 圖 ： 在不同溫度下， 10nm,20nm以及 500nm寬的的硅線的熱電壓測(cè)量值。在低于 ~1020 cm3 情況下參雜的硅納米線的 塞貝克系數(shù) 呈現(xiàn)了最大值 150K到 300K，顯示為聲子 曳引 。 10nm 蝕刻 裝置的參雜等級(jí)不知，但可能在 1016 和 1017 cm3之間。因?yàn)槁曌訐碛凶銐蜷L(zhǎng)的生命力從電子流傳送中加入到熱量流中。在高溫下 (kTΘDebye) ，具體熱量成了常數(shù)，可用聲子分散等級(jí)從 ~T到 Sph~1/T。這將導(dǎo)致費(fèi)米表面的矢量 kf。1(假設(shè)參雜等級(jí)為3e19 cm3) 。 。只有當(dāng)聲子波長(zhǎng)大于 31 197。在金屬中， kf 為 倒易晶格矢量 。短波長(zhǎng)的聲子的壽命比長(zhǎng)波長(zhǎng)的要短，從而引起了金屬中的聲子 曳引 。從而在反 轉(zhuǎn)過(guò)程 中，決 定了聲子熱量的不易流失。這一單個(gè)參數(shù)設(shè)置翻轉(zhuǎn)能量級(jí)為 德拜 能量 ΘDebye 。 導(dǎo)致了當(dāng) TΘD, 1/τph~T 時(shí)，分散率為1/τph~NU~1/[exp(ΘD/T) 1]。 熱電勢(shì)總數(shù) S是電子流數(shù)值 (Se)和聲子數(shù)值 (Sph)的總和。 其中，變動(dòng) a, b 和 ΘD ，取得最佳值（數(shù)據(jù) ）。如果 德拜 能量固定在其實(shí)驗(yàn)值， ΘD=640K, 最佳值發(fā)生在 a= μV/K2 ， b= μV/K 的時(shí)候。 圖 ： 熱電壓計(jì)算值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（紅點(diǎn)）為 P型硅納米線，橫截面為 400 nm2 (20 nm 20 nm) ，參雜等級(jí)為 31019cm 3。綠色曲線為聲子數(shù)值 Sph，藍(lán)色線為電子流數(shù)值 Se 。合適的電子系數(shù)值基本等同于未參雜硼的空穴參雜，且 a = μV/K2 情況下的數(shù)值。而且，黑色的數(shù)據(jù)點(diǎn)為參雜等級(jí)為 2 x 1020 cm3的散裝線，參雜等級(jí)為 7 x 1019 cm3的 10nm寬的電線及參雜等級(jí)為 x 1020 cm3的 20nm寬的電線。 這些數(shù)據(jù)點(diǎn)接近線型紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)，證明了所選電子流數(shù)值是合理的。只有當(dāng)塊狀硅輕度參雜， 聲子曳引 才能在室溫下，對(duì)熱電勢(shì)貢獻(xiàn)更大的作用，達(dá) 1 mV/K。然而重度參雜的納米線的熱電勢(shì)并不比散裝數(shù)值高，在溫度為 ~200K 下，聲子曳引 的線型變化 S∝ T，產(chǎn)生了 S值 4， 5倍的變化，致使 ZT值的幅度增長(zhǎng)。 本章提供的數(shù)據(jù)清楚地表明，使用納米結(jié)構(gòu)的材料做為熱電材料有很多好處。這種令人關(guān)注的進(jìn)步，在很大程度上應(yīng)歸功于納米線在賽貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率上的獨(dú)立優(yōu)化能力 這 在塊半導(dǎo)體中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的 。雜質(zhì) 含量 在圖例中已