《薄膜材料热特性测试技术及仪器》

材料检测技术是新材料产业的核心技术之一,随着材料的薄膜化和小尺寸化,传统的破坏性检测方法和仪器已不能准确测量其热性能。因此,对纳米尺度薄膜材料的热特性的非破坏性检测成为国际研究前沿。据智研咨询统计,中国的新材料产业已达3.3万亿,但检测仪器主要依赖进口,完全不能适应行业发展的需求,严重制约了中国新材料产业的发展和中国建设制造强国的战略,亟待自主研发颠覆性的薄膜材料热特性测试技术和仪器。

针对薄膜材料检测的国家重大需求,在国家863等项目支持下,历经8年,产学研协同攻关,攻克了传统热测试仪器对薄膜材料热特性检测的重大国际难题,在测试机理、方法、工艺和仪器等方面取得了系统性原创成果并实现产业化:

(1)揭示薄膜材料相变温度与光反射率的变化规律,提出薄膜材料相变温度测试的新方法,发明测试薄膜材料的晶化温度、不同结构相之间变化温度、熔化温度等相变温度的新技术,研制世界首台薄膜材料相变温度的原位测试仪器,实现了国际上最薄5nm的薄膜材料相变温度的检测,首次解决了薄膜材料相变温度非破坏性检测的世界性难题。

(2)国际率先提出单一光源分束干涉测试透光薄膜材料热膨胀系数的新方法,发明透光和非透光薄膜材料热膨胀系数测试技术,研制薄膜材料的热膨胀系数测试仪器,测量范围比国际同类设备提升了625倍,并首次实现了透光材料热膨胀系数的非接触式检测。

(3)阐明薄膜材料面内热导率与三倍频测试信号的动态关系,提出频域动态法测试薄膜面内热导率的新方法,发明薄膜材料热导率和热电参数动态测试技术,研制薄膜材料热导率和热电参数测试仪器,首次实现了薄膜材料面内热导率和薄膜材料塞贝克系数的测试,解决了困扰世界多年的薄膜面内热导率测试的难题。

该项目共获授权发明专利16项(其中美国专利1项)、计算机软件著作权7项。项目科技成果已转化并实现产业化,产品向武汉新芯等35家单位已销售212台,并出口至美国、英国等国家。项目近三年累计新增营收约3.52亿元,新增利润3307万元。该成果获评“湖北省十大科技事件”和“武汉地区最具影响力十大科技事件”,“填补了纳米级材料热参数检测技术的世界空白”。美国陶瓷学会官方网站主页推介报道“获得了一个看似不可能完成的实验数据”。测试方法被材料领域国际权威杂志Annu.Rev.Mater.Res.综述文章及著名学者Matthias Wuttig院士等多次引用。评价意见认为该成果“创新突出,整体处于国际先进水平,在纳米级薄膜的相变温度测试以及薄膜面内热导率测试等方面达到国际领先水平”。

该项目为国家存储器基地的武汉新芯公司突破了硅片翘曲的瓶颈问题,显著提高了中国“卡脖子”芯片的产品良率;并成功实现了国产自主测量仪器在国际市场上的突破。依托项目技术获批组建了国内第一个省部级薄膜材料测试技术研究平台,锻炼和培养了长江学者等一批优秀人才。引领了薄膜材料测试技术的快速进步,将有力推动材料产业的跨越式发展。

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