Випуски $\rightarrow$ Том 24, випуск 2 (2023)

Методи визначення характеристик теплових потоків у твердих тілах

О. Є. Погорелов, О. В. Філатов, Е. М. Руденко, І. В. Короташ, М. В. Дякін

Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна

Отримано 06.01.2023; остаточна версія — 29.05.2023 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Завдяки аналізу широкого спектру відомих методів характеризації теплових властивостей твердого тіла визначено найбільш ефективні стосовно дослідження багатошарових систем. Серед розглянутих стаціонарних, квазистаціонарних і нестаціонарних методів виділено Паркерів експрес-метод визначення теплофізичних характеристик пласких об’єктів, 3ω-метод та модифікації їх для точкових і планарних досліджень, зокрема плівок. Застосування модифікованого Паркерового експрес-методу для дослідження шаруватих структур уможливило виявлення ефекту нереверсивности теплопередачі у системі Cu/AlN/Al. Такий ефект пояснено особливостями процесів передачі тепла на межі метал–діелектрик залежно від їхніх Дебайових температур і з урахуванням електрон-фононної взаємодії.

Ключові слова: теплопровідність, 3ω-метод, Паркерів експрес-метод, міряння температури, ефект нереверсивности теплопередачі.

Citation: O. Ye. Pogorelov, O. V. Filatov, E. M. Rudenko, I. V. Korotash, and M. V. Dyakin, Characterization Methods of Heat Flows in Solids, Progress in Physics of Metals, 24, No. 2: 239–281 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.02.239

Цитована література   
  1. Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics (John Wiley & Sons: 2005).
  2. L.N. Larikov and Yu.F. Yurchenko, Struktura i Svoistva Metallov i Splavov [Structure and Properties of Metals and Alloys Directory] (Kiev: Naukova Dumka: 1985), p. 438 (in Russian).
  3. H. Carslaw and J. Jaeger, Conduction of Heat in Solids (New York: Oxford University Press: 1959).
  4. T. Borca-Tasciuc, A.R. Kumar, and G. Chen, Rev. Sci. Instrum., 72: 2139 (2001); https://doi.org/10.1063/1.1353189
  5. D.G. Cahill, Rev. Sci. Instrum., 61: 802 (1990); https://doi.org/10.1063/1.1141498
  6. David de Koninck, Thermal Conductivity Measurements Using the 3 Omega Technique: Application to Power Harvesting Microsystems (Department of Mechanical Engineering McGill University Montréal, Canada: 2008), р. 106.
  7. M. Bogner, G. Benstetter, and Y.Q. Fu, Surf. Coat. Technol., 320: 91 (2017); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.01.100
  8. W.J. Parker, R.J. Jenkins, C.P. Butler, and G.L. Abbott, J. Appl. Phys., 32: 1679 (1961); https://doi.org/10.1063/1.1728417
  9. M.E. Gurevich and A.E. Pogorelov, Primeneniye Lazernoy Tekhniki dlya Teplofizicheskikh Issledovaniy [Application of Laser Technology for Thermophysical Research, Physical Methods for the Study of Metals (Kiev: Naukova Dumka: 1981), p. 3–23 (in Russian).
  10. R.E. Taylor and J.A. Cape, Appl. Phys. Letters, 5: 212 (1964).
  11. R.E. Taylor, J. Jortner, and H. Groot, Carbon, 23, No. 2: 215 (1985).
  12. K. Etori, Japan. J. Appl. Phys., 8, No. 11: 1357 (1969).
  13. K. Etori, Bull. Fac. Eng. Miyazaki Univ., No. 16: 70 (1969).
  14. Susumu Namba, Pil Hyon Kim, and Tsutomu Arai, Japan. J. Appl. Phys., 6, No. 8: 1019 (1967).
  15. P.H. Sidles and G.C. Danielson, Japan. J. Appl. Phys., 25: 58 (1954).
  16. S. Nasu, S. Fukushima, T. Ohmichi, and T. Kikuchi, Japan. J. Appl. Phys., 7, No. 6: 682 (1968).
  17. D. Alain, G. Annie, L. Michel, M. Jean-Luc, and S. Gilbert, C.r. Acad. Sci., B278, No. 3: 49 (1974).
  18. Kubičár L’udovit, Fys. Čas., 22, No. 3: 129 (1972).
  19. M.M. Mebed, R.P. Yurchak, and L.P. Filippov, High Temp. High Press., 5, No. 3: 253 (1973).
  20. D. Murfin, Rev. Int. Hautes Temp. et Refract., 7, No. 3: 284 (1970).
  21. Jean-Claude Weilba-Cher and Jean-Claude van Craeynest, Rev. Int. Hautes Temp. et Refract., 7, No. 3: 268 (1970).
  22. F. Cernuschi, A. Russo, L. Lorenzoni, and A. Figari, Rev. Sci. Instrum., 72, No. 10: 3988 (2001).
  23. G. Wróbel, Z. Rdzawski, G. Muzia, and S. Pawlak, JAMME, 36, 49 (2009).
  24. A.V. Lunev and S.A. Pokrovskiy, Metod Lazernoy Vspyshki dlya Opredeleniya Temperaturoprovodnosti [Laser Flash Method for Determining Thermal Diffusivity] (Moskva: MIFI: 2003), p. 347 (in Russian).
  25. A.D. Falileyev, Prakticheskaya Realizatsiya Metoda Parkera dlya Opredeleniya Temperaturoprovodnosti [Practical Implementation of the Parker Method for Determining Thermal Diffusivity] (Tomsk: Izd-vo Tomskogo Politekhnicheskogo Universiteta: 2012), Vol. 3, Ch. 137, p. 447 (in Russian).
  26. V.G. Baranov, A.V. Tenishev, A.V. Lunov, S.A. Pokrovskiy, and A.V. Khlunov, Yadernaya Fizika i Inzhiniring, 2, No. 4: 291 (2011) (in Russian).
  27. A.E. Pogorelov, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 36, No. 3: 383 (2014); https://mfint.imp.kiev.ua/en/abstract/v36/i03/0383.html
  28. S.M. Luhuev, N.V. Luhueva, and A.A. Dunaev, Fiz. Tverd. Tela, 45, No. 3: 424 (2003) (in Russian).
  29. V.L. Bybyk, Fundamentalʹnye Issledovaniya, No. 6: 49 (2006) (in Russian).
  30. V.S. Oskotskiy and I.A. Smirnov, Defekty v Kristallakh i Teploprovodnost’ [Defects in Crystals and Thermal Conductivity] (Leningrad: Nauka: 1972), p. 160 (in Russian).
  31. A.V. Yoffe and A.F. Yoffe, Fiz. Tverd. Tela, 2, No. 5: 781 (1960) (in Russian).
  32. G.F. Pogorelova, B.M. Fal’chenko, and A.Ye. Pogorelov, Metod Opredeleniya Koeffitsienta Diffuzii [The Method of Determining the Diffusion Coefficient]: Patent 1117491 SSSR (Published 1984) (in Russian).
  33. S.D. Gertsriken and I.Ya. Dekhtyar, Diffuziya v Metallakh i Splavakh v Tverdoy Faze [Diffusion in Metals and Alloys in the Solid Phase] (Moskva: Fizmatgiz: 1960), р. 563 (in Russian).
  34. Svoistva Elementov: Spravochnik [Properties of Elements: Handbook)] (Ed. G.V. Samsonov) (Moskva: Metallurgiya: 1976), p. 600 (in Russian).
  35. Svoistva Elementov: Spravochnik [Properties of Elements: Handbook)] (Ed. M.E. Dryts) (Moskva: Metallurgiya: 1985), p. 672 (in Russian).
  36. S.M. Luguev, N.V. Lugueva, and V.V. Sokolov, Fiz. Tverd. Tela, 42, No. 6: 1013 (2000) (in Russian).
  37. N.V. Lugueva, N.L. Kramynina, and S.M. Luguev, Fiz. Tverd. Tela, 43, No. 2: 222 (2001) (in Russian).
  38. N.V. Lugueva and S.M. Luguev, Fiz. Tverd. Tela, 44, No. 2: 251 (2002) (in Russian).
  39. A. Filatov, A. Pogorelov, D. Kropachev, and O. Dmitrichenko, Defect Diffus. Forum, 363: 173 (2015); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ddf.363.173
  40. O.Ye. Pogorelov, A.F. Zhuravlev, and Ye.O. Pogorielov, Sposib Ekspres-Analizu Teplofizychnykh Kharakterystyk Plivok [Method of Express Analysis of Thermophysical Characteristics of Films]: Ukrainian Patent 43224A (2002) (in Ukrainian).
  41. A. Pogorelov, A. Zhuravlev, Ye. Pogoryelov, and V. Brik, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 23: 194 (2001).
  42. M.E. Gurevich, A.F. Zhuravlev, Yu.V. Kornyushin, and A.E. Pogorelov, Metallofizika, 7, No. 2: 113 (1985) (in Russian).
  43. A.T. Kanaev, E.V. Chumakov, and M.T. Toktarkhanov, Vestnik Kazakhskogo Natsionalnjgo Tekhnicheskogo Universiteta imeni K.Y. Satpaeva, No. 5 (2008).
  44. O.Ye. Pogorelov and K.M. Khranovska, Sposib Vyznachennia Teplofizychnykh Kharakterystyk Metalevoi Plivky [The Method of Determining the Thermophysical Characteristics of a Metal Film]: Ukrainian Patent 111801 (2016) (in Ukrainian).
  45. U. Paek and A. Kestenbaum, J. Appl. Phys., 44: 2260 (1973); https://doi.org/10.1063/1.1662547
  46. M. Naoe, N. Kitamura, and T. Hirata, J. Appl. Phys., 61: 3337 (1987); https://doi.org/10.1063/1.338790
  47. A.E. Pogorelov, Ye.A. Pogoryelov, and A.F. Zhuravlev, J. Magn. Magn. Mater., 249, No. 3: 428 (2002); https://doi.org/10.1016/S0304-8853(02)00463-8
  48. H. Gonska, W. Kiershpe, and R. Kohlhaas, Z. Naturforsh., B23a: 783 (1968).
  49. A.F. Zhuravlev, A.E. Pogoryelov, and K.P. Ryaboshapka, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 24: 1547 (2002) (in Russian).
  50. A.E. Pogoryelov, K.P. Ryaboshapka, and A.F. Zhuravlev, J. Appl. Phys., 92: 5766 (2002); https://doi.org/10.1063/1.1512972
  51. A.E. Pogoryelov, K.P. Ryaboshapka, and A.F. Zhuravlev, Defect and Diffusion Forum, 216–217: 41 (2003); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.216-217.41
  52. J.C. Jaeger, Notes Australian National University, XI, No. 1: 132 (1953).
  53. D.S. Svinukhov, V.S. Zhdanov, V.V. Baklanov, and V.V. Sabluk, Vestnyk NIaTs RK, No. 2: 86 (2009) (in Russian).
  54. E.M. Rudenko, V.M. Sorokin, I.V. Korotash, D.Yu. Polotsky, A.O. Krakovny, O.Yu. Suvorov, M.A. Belogolovskii, and D.V. Pekur, Dopov. Nac. Akad. Nauk Ukr., No. 3: 59 (2018) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15407/dopovidi2018.03.059
  55. E. Rudenko, I. Korotash, M. Dyakin, D. Polotsky, M. Belogolovskii, and Yu. Strzhemechny, Proc. ‘XI Int. Scientific and Practical Conference on Electronics and Information Technologies’ (Sep. 16–18, 2019, Lviv), р. 253.
  56. E. Rudenko, Z. Tsybrii, F. Sizov, I. Korotash, D. Polotskiy, M. Skoryk, M. Vuichyk, and K. Svezhentsova, J. Appl. Phys., 121, No. 13: 135304 (2017); https://doi.org/10.1063/1.4979858
  57. Z. Tsybrii, F. Sizov, M. Vuichyk, I. Korotash, and E. Rudenko, Infrared Phys. & Technol., 107: 103323 (2020); https://doi.org/10.1016/j.infrared.2020.103323
  58. Z. Tsybrii, F. Sizov, M. Vuichyk, K. Svezhentsova, E. Rudenko, I. Korotash, and D. Polotskiy, Advances in Thin Films, Nanostructured Materials, and Coatings. Lecture Notes in Mechanical Engineering (Eds. A. Pogrebnjak and V. Novosad) (Singapore: Springer: 2019), p. 235; https://doi.org/10.1007/978-981-13-6133-3_24
  59. A. Jacquot, B. Lenoir, A. Dauscher, P. Verardi, F. Craciun, M. Stölzer, M. Gartner, and M. Dinescu, Appl. Surf. Sci., 186, No. 1: 507 (2002); https://doi.org/10.1016/S0169-4332(01)00767-X
  60. Y. Zhao, C. Zhu, S. Wang, J.Z. Tian, D.J. Yang, C.K. Chen, H. Cheng, and P. Hing, J. Appl. Phys., 96: 4563 (2004); https://doi.org/10.1063/1.1785850
  61. P.K. Kuo, G.W. Auner, and Z.L. Wu, Thin Solid Films, 253: 223 (1994).
  62. T.S. Pan, Y. Zhang, J. Huang, B. Zeng, D.H. Hong, S.L. Wang, H.Z. Zeng, M. Gao, W. Huang, and Y. Lin, J. Appl. Phys., 112: 044905 (2012); https://doi.org/10.1063/1.4748048
  63. S.-M. Lee and D.G. Cahill, J. Appl. Phys., 81: 2590 (1997); https://doi.org/10.1063/1.363923
  64. D.G. Cahill, K. Goodson, and A. Majumdar, J. Heat Transf., 124: 223 (2002); https://doi.org/10.1115/1.1454111
  65. S.R. Choi, D. Kim, S.-H. Choa, S.-H. Lee, and J.-K. Kim, Int. J. Thermophys., 27: 896 (2006); https://doi.org/10.1007/s10765-006-0062-1
  66. C. Duquenne, M.-P. Besland, P.Y. Tessier, E. Gautron, Y. Scudeller, and D. Averty, J. Phys. D: Appl. Phys., 45: 015301 (2012); https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/1/015301
  67. E.M. Rudenko, A.O. Krakovnyy, M.V. Dyakin, I.V. Korotash, D.Yu. Polots’kyy, and M.A. Skoryk, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 44, No. 8: 989 (2022) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15407/mfint.44.08.0989
  68. E.M. Rudenko, V.Ye. Panarin, P.O. Kyrychok, M.Ye. Svavilnyi, I.V. Korotash, O.O. Palyukh, D.Yu. Polotskyi, and R.L. Trishchuk, Prog. Phys. Met., 20, No. 3: 485 (2019); https://doi.org/10.15407/ufm.20.03.485
  69. V.F. Semenyuk, V.F. Virko, I.V. Korotash, L.S. Osipov, D.Yu. Polotsky, E.M. Rudenko, V.M. Slobodyan, and K.P. Shamrai, Probl. At. Sci. Technol., No. 4(86): 179 (2013).
  70. L. Osipov, E. Rudenko, V. Semenyuk, I. Korotash V. Odinokov, G. Pavlov, and V. Sologub, Nanoindustriya, No. 2: 4 (2010) (in Russian).
  71. A. Shpak, E. Rudenko, I. Korotash, V. Semenyuk, V. Odinokov, G. Pavlov, and V. Sologub, Nanoindustriya, No. 4: 12 (2009) (in Russian).
  72. I. Korotash, V. Odinokov, G. Pavlov, E. Rudenko, D. Polotsky, V. Semenyuk, and V. Sologub, Nanoindustriya, No. 4: 14 (2010) (in Russian).
  73. V.F. Semenyuk, Eh. M. Rudenko, I.V. Korotash, L.S. Osipov, D.Yu. Polotskiy, K.P. Shamray, V.V. Odinokov, G.Ya. Pavlov, and V.A. Sologub, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 33, No. 2: 223 (2011) (in Russian).
  74. I.P. Zharkov, A.N. Ivashchenko, E.M. Rudenko, I.V. Korotash, A.A. Krakovnyy, V.V. Safonov, and V.A. Khodunov, Science and Innovation, 7, No. 2: 5 (2011).
  75. S. Zeng, Z. Liu, J. Jiang, M. Jean, and S. Yang, Am. Ceram. Soc. Bull., 95, No. 5: 38 (2016).
  76. H.S. Carslaw and J.C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids (New York: Oxford University Press: 1959), p. 101.
  77. A.E. Pogoryelov and A.V. Filatov, Resistance of Layered Structures to Efficient Transmission of Thermal Energy, Proc. Sci. Conf. ‘Functional Materials for Innovative Energy’ (May 13–15, 2019, Kyiv), p. 23.
  78. S.Yu. Mesnyankin, A.G. Vikulov, and D.G. Vikulov, Phys.-Usp., 52, No. 9: 891 (2009); https://doi.org/10.3367/UFNe.0179.200909c.0945
  79. R.J. Stoner and H.J. Maris, Phys. Rev. B, 48: 16373 (1993); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.16373
  80. Masahiro Susa, Kazuhiro Nagata, and Kazuhiro S. Goto, J. Japan Inst. Metals., 53, No. 5: 543 (1989); https://doi.org/10.2320/jinstmet1952.53.5_543
  81. Y.L. Zhang, C.L. Hapenciuc, E.E. Castillo, T. Borca-Tasciuc, R.J. Mehta, C. Karthik, and G. Ramanath, Appl. Phys. Lett., 96, No. 6: 062107 (2010); https://doi.org/10.1063/1.3300826
  82. B.E. Belkerk, J. Camus, B. Garnier, H. Al Brithen, S. Sahli, and M.-A. Djouadi, Int. J. Therm. Sci., 151: 106259 (2020); https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.106259

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,