銀納米線的熱電性質測量

吳之政+毛成錕+王建立+曹立勇+楊決寬

摘 要：利用直流穩態法測量兩種不同直徑單晶銀納米線在不同溫度下的熱電性質。結果表明銀納米線導熱、導電性質與體材料相比有巨大差異，具體表現在銀納米線的電阻率要比體材料大，導熱系數比體材料的小很多；在測量溫度范圍內，銀納米線導熱系數隨著溫度的增加而增加，其變化趨勢與體材料相反；電導率以及洛倫茲數隨溫度變化趨勢與體材料相同，隨溫度的升高而升高。將銀納米線暴露在空氣中24小時后，電阻率增加近2.5倍，因此在應用過程中需要額外注意金屬納米線的化學穩定性。

關鍵詞：銀納米線；四探針法；導熱系數；電阻率；溫度

中圖分類號：TK124 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）07-0181-02

Abstract： The thermoelectric properties of two kinds of silver nanowires with different diameters at different temperatures were measured by DC steady-state method. The results show that the thermal conductivity and conductivity of silver nanowires are greatly different from those of bulk materials. The results show that the resistivity of silver nanowires is larger than that of bulk materials， and the thermal conductivity of silver nanowires is much smaller than that of bulk materials. In the temperature range， the thermal conductivity of silver nanowires increases with the increase of temperature， and the change trend is opposite to that of bulk materials. The electric conductivity and Lorentz number are the same as the bulk materials with the increase of temperature， and increase with the increase of temperature. After the silver nanowires were exposed to air for 24 hours， the resistivity increased nearly 2.5 times， so the chemical stability of metal nanowires should be paid more attention in the application process.

Keywords： silver nanowires； four-probe method； thermal conductivity； resistivity； temperature

引言

隨著科學技術的發展，微納米技術已經越來越多的應用在微小型電子元件生產制造中，微納米結構的制造及表征也是當下研究的熱點之一[1]，銀與其他金屬相比具有較高的導熱和導電性，使得銀納米線成為微納結構中電氣互連的可選材料[2]，同時由于銀的光學特性，銀納米線在柔性觸摸屏、太陽能電池和透明電極中具有很大的應用潛力[3]；對于這些應用的設計和優化，主要關注點在納米線的熱電特性上，但是對它的研究較少。目前金屬納米線特別是惰性金屬納米線和納米線束的電學性質不容易測量，目前研究單根銀納米線熱電性質的報道不多。本文測量了兩種不同直徑銀納米線的導熱系數、電阻率以及洛倫茲常數，分析結果差異的原因，并探討銀納米久置之后其熱電性質的變化。

1 實驗介紹

1.1 實驗方法

本實驗利用四探針直流穩態法測量銀納米線的熱電性質，將單根銀納米線放置在設計好的電極芯片上，芯片上有1、2、3、4四個電極，2、3電極的中間為漏空，保證銀納米線測量部分是懸空狀態。接通電源之后，電流從電極1流入，從電極4流出，測量2、3電極之間的電壓，從而計算得到銀納米線的電學性質，如圖 1所示。

銀納米樣品是在高真空環境下（真空度小于7×10-6 mbar）測量，能夠抑制對流對實驗結果的影響；由于銀具有非常小的發射率（約0.03），在真空密閉的環境下輻射對實驗的影響可以忽略不計。

1.2 實驗過程

如圖1所示，將待測銀納米線置于真空腔體內，通過機械泵、分子泵工作達到滿足實驗要求的真空度，樣品置于腔體內銅基座上，銅基座與溫控儀相連接，從而能夠控制調節樣品測量的環境溫度。銀納米線與四個電極接觸，兩電極之間外接Agilent 34970A數字萬用表，讀取銀納米線兩端電壓及通過的電流，其精確度能夠0.0001mV/mA。

用等離子水配制銀線溶液，取幾滴溶液涂敷在制備好的聚二甲基丙烯酰胺（PDMA）上，銀納米線附著在PDMA上。在高倍光學顯微鏡下選取合適銀納米，通過納米線轉移操作平臺將銀納米線轉移至測試電極上。為保證銀納米線與銀納米線有良好接觸，通過電子束沉積技術，將銀納米與電極焊接在一起。樣品準備完成之后，放置在真空低溫腔內進行測試。

實驗過程中經常發生將銀納米線燒斷，燒斷位置主要發生在懸空段。經過反復的試驗，發現燒斷納米線的原因：（1）靜電，在將銀納米線樣品連接在測試系統上的過程中產生靜電；（2）電脈沖，因為銀納米線本身熔點低，在測試回路中出現較大的電脈沖信號也會導致銀納米被燒斷。經過不斷的試驗，找到解決納米線燒斷問題的途徑：（1）增大實驗環境的空氣濕度、穿戴防靜電衣帽，大大降低靜電發生的概率；（2）在未對納米線進行測量時對銀納米線進行endprint

短路保護；（3）在測量回路中接入穩壓源，同時選擇在電網相對穩定的夜間進行測量。實驗共測試三種銀納米線樣品，長度都在11μm左右，樣品1和樣品2是直徑分別為108nm、102nm，樣品3為制作完成之后暴露于空氣中24小時進行測量，其直徑為108nm。

2 結果與討論

2.1 電學性質

在每個溫度點讀取多組數據，求取平均值，三個樣品都測得在140-300K范圍內的電阻值，圖2顯示的為銀納米線以及體態銀電阻率隨溫度的變化。140K時1號銀納米線的電阻率1.87×10-8？贅·m，大于體態銀140K時數值（0.57×10-8？贅·m）。這主要是因為銀納米線由于尺寸效應使得以表面散射為主導的結構散射機制限制電子平均自由程；體態銀主要發生聲子——電子散射，而銀納米線有聲子散射和結構散射。

通過比較樣品1和樣品3所測電導率，發現暴露在空氣中的樣品3電阻率顯著增大，其增大原因可能是因為銀納米線在空氣中發生反應或是有分解導致結構不穩定，在測量銅納米線時觀察到相類似的結果，隨著放置時間的推移，所測銅納米線電阻值也不斷增大。

2.2 熱學性質

當應用不同的電流時，納米線溫度將由于焦耳加熱而改變，溫度變化引起電阻變化在建立傳熱模型之后，可以基于所施加的電流和電阻之間的關系來推斷導熱系數，圖3給出了不同溫度下銀納米線的導熱系數，銀納米線的導熱系數隨著溫度的降低而降低，而體態銀的導熱系數隨著溫度的降低而增加。在260K左右時體態銀的導熱系數室溫下為429Wm-1K-1，而直徑為108nm的銀納米線的導熱系數為180±40Wm-1K-1，其導熱系數值為體態銀的50%左右，導熱系數主要原因為銀納米線的結構散射和聲子散射在電子傳輸中起重要作用。當溫度下降時，聲子散射減小，但是結構散射仍然存在并主導電子傳輸。鎳納米線，金和鉑納米薄膜和合金中也觀察到這種現象。

3 實驗結論

本實驗通過四探針直流穩態法測量銀納米線，得出以下結論：

（1）銀納米線電阻率值要比體態銀的電阻率值大很多，原因在于銀納米線不僅有聲子散射，同時還存在較強的結構散射（邊界、表面、純度散射等）。

（2）室溫下銀納米線的導熱系數值為體態銀導熱系數值的二分之一左右，且銀納米的導熱系數值隨著溫度的降低而降低。銀納米線洛倫茲數也有相同變化規律。

（3）成功測量銀納米的熱電性質，此實驗方法同樣能夠測量其他金屬納米線。

參考文獻：

[1]SUN Y. Silver nanowires-unique templates for functional nanostructures[J].Nanoscale， 2010，2（9）：1626-1642.

[2]YAN G， WANG L， ZHANG L. Recent research progress on preparation of silver nanowires by soft solution method， preparation of gold nanotubes and Pt nanotubes from resultant silver nanowires and their applications in conductive adhesive[J].Rev. Adv. Mater. Sci， 2010，24（1-2）：10-25.

[3]HU L， KIM H S， LEE J Y， et al. Scalable coating and properties of transparent， flexible， silver nanowire electrodes[J]. ACS nano， 2010，4（5）：2955-2963.endprint