银纳米线的热电性质测量

吴之政+毛成锟+王建立+曹立勇+杨决宽

摘 要：利用直流稳态法测量两种不同直径单晶银纳米线在不同温度下的热电性质。结果表明银纳米线导热、导电性质与体材料相比有巨大差异，具体表现在银纳米线的电阻率要比体材料大，导热系数比体材料的小很多；在测量温度范围内，银纳米线导热系数随着温度的增加而增加，其变化趋势与体材料相反；电导率以及洛伦兹数随温度变化趋势与体材料相同，随温度的升高而升高。将银纳米线暴露在空气中24小时后，电阻率增加近2.5倍，因此在应用过程中需要额外注意金属纳米线的化学稳定性。

关键词：银纳米线；四探针法；导热系数；电阻率；温度

中图分类号：TK124 文献标志码：A 文章编号：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

随着科学技术的发展，微纳米技术已经越来越多的应用在微小型电子元件生产制造中，微纳米结构的制造及表征也是当下研究的热点之一[1]，银与其他金属相比具有较高的导热和导电性，使得银纳米线成为微纳结构中电气互连的可选材料[2]，同时由于银的光学特性，银纳米线在柔性触摸屏、太阳能电池和透明电极中具有很大的应用潜力[3]；对于这些应用的设计和优化，主要关注点在纳米线的热电特性上，但是对它的研究较少。目前金属纳米线特别是惰性金属纳米线和纳米线束的电学性质不容易测量，目前研究单根银纳米线热电性质的报道不多。本文测量了两种不同直径银纳米线的导热系数、电阻率以及洛伦兹常数，分析结果差异的原因，并探讨银纳米久置之后其热电性质的变化。

1 实验介绍

1.1 实验方法

本实验利用四探针直流稳态法测量银纳米线的热电性质，将单根银纳米线放置在设计好的电极芯片上，芯片上有1、2、3、4四个电极，2、3电极的中间为漏空，保证银纳米线测量部分是悬空状态。接通电源之后，电流从电极1流入，从电极4流出，测量2、3电极之间的电压，从而计算得到银纳米线的电学性质，如图 1所示。

银纳米样品是在高真空环境下（真空度小于7×10-6 mbar）测量，能够抑制对流对实验结果的影响；由于银具有非常小的发射率（约0.03），在真空密闭的环境下辐射对实验的影响可以忽略不计。

1.2 实验过程

如图1所示，将待测银纳米线置于真空腔体内，通过机械泵、分子泵工作达到满足实验要求的真空度，样品置于腔体内铜基座上，铜基座与温控仪相连接，从而能够控制调节样品测量的环境温度。银纳米线与四个电极接触，两电极之间外接Agilent 34970A数字万用表，读取银纳米线两端电压及通过的电流，其精确度能够0.0001mV/mA。

用等离子水配制银线溶液，取几滴溶液涂敷在制备好的聚二甲基丙烯酰胺（PDMA）上，银纳米线附着在PDMA上。在高倍光学显微镜下选取合适银纳米，通过纳米线转移操作平台将银纳米线转移至测试电极上。为保证银纳米线与银纳米线有良好接触，通过电子束沉积技术，将银纳米与电极焊接在一起。樣品准备完成之后，放置在真空低温腔内进行测试。

实验过程中经常发生将银纳米线烧断，烧断位置主要发生在悬空段。经过反复的试验，发现烧断纳米线的原因：（1）静电，在将银纳米线样品连接在测试系统上的过程中产生静电；（2）电脉冲，因为银纳米线本身熔点低，在测试回路中出现较大的电脉冲信号也会导致银纳米被烧断。经过不断的试验，找到解决纳米线烧断问题的途径：（1）增大实验环境的空气湿度、穿戴防静电衣帽，大大降低静电发生的概率；（2）在未对纳米线进行测量时对银纳米线进行endprint

短路保護；（3）在测量回路中接入稳压源，同时选择在电网相对稳定的夜间进行测量。实验共测试三种银纳米线样品，长度都在11μm左右，样品1和样品2是直径分别为108nm、102nm，样品3为制作完成之后暴露于空气中24小时进行测量，其直径为108nm。

2 结果与讨论

2.1 电学性质

在每个温度点读取多组数据，求取平均值，三个样品都测得在140-300K范围内的电阻值，图2显示的为银纳米线以及体态银电阻率随温度的变化。140K时1号银纳米线的电阻率1.87×10-8？赘·m，大于体态银140K时数值（0.57×10-8？赘·m）。这主要是因为银纳米线由于尺寸效应使得以表面散射为主导的结构散射机制限制电子平均自由程；体态银主要发生声子——电子散射，而银纳米线有声子散射和结构散射。

通过比较样品1和样品3所测电导率，发现暴露在空气中的样品3电阻率显著增大，其增大原因可能是因为银纳米线在空气中发生反应或是有分解导致结构不稳定，在测量铜纳米线时观察到相类似的结果，随着放置时间的推移，所测铜纳米线电阻值也不断增大。

2.2 热学性质

当应用不同的电流时，纳米线温度将由于焦耳加热而改变，温度变化引起电阻变化在建立传热模型之后，可以基于所施加的电流和电阻之间的关系来推断导热系数，图3给出了不同温度下银纳米线的导热系数，银纳米线的导热系数随着温度的降低而降低，而体态银的导热系数随着温度的降低而增加。在260K左右时体态银的导热系数室温下为429Wm-1K-1，而直径为108nm的银纳米线的导热系数为180±40Wm-1K-1，其导热系数值为体态银的50%左右，导热系数主要原因为银纳米线的结构散射和声子散射在电子传输中起重要作用。当温度下降时，声子散射减小，但是结构散射仍然存在并主导电子传输。镍纳米线，金和铂纳米薄膜和合金中也观察到这种现象。

3 实验结论

本实验通过四探针直流稳态法测量银纳米线，得出以下结论：

（1）银纳米线电阻率值要比体态银的电阻率值大很多，原因在于银纳米线不仅有声子散射，同时还存在较强的结构散射（边界、表面、纯度散射等）。

（2）室温下银纳米线的导热系数值为体态银导热系数值的二分之一左右，且银纳米的导热系数值随着温度的降低而降低。银纳米线洛伦兹数也有相同变化规律。

（3）成功测量银纳米的热电性质，此实验方法同样能够测量其他金属纳米线。

参考文献：

[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