玻璃微球与平板间热接触阻力的定量测量

由于绝缘微尺度物体尺寸小、导热率低以及存在各种难以界定的间隙，对其热阻的精确测量十分复杂。我们利用在真空和空气中工作的改进型扫描热显微镜解决了这一问题。研究采用球-板几何构型。在受控加热功率下，我们测量了粘附在探针上的玻璃微球顶部温度，该微球以纳米级精度接近室温玻璃平板。在真空中，接触时观察到温度跃变。由该温度跃变及球体热阻建模，得到球-板接触阻力 $R_K=(1.4 \pm 0.18)\times10^7 \ \mathrm{K.W^{-1}}$ 和有效半径 $r=(36 \pm 4)$ nm。在空气中，球体顶部温度从球-板间距 200 $\mathrm{\mu m}$ 处开始下降。接触时也观察到跃变，但幅度减小。非接触状态下的球-板耦合可由空气中平板前方球体的阻力形状因子描述，该球体置于由串联与并联阻力构成的电路中，二者通过拟合逼近曲线确定。随后由温度跃变估算出空气中的接触阻力 $R^*_K=(1.2 \pm 0.46)\times 10^7 \ \mathrm{K.W^{-1}}$。该方法定量且无需繁琐的多尺度数值模拟，并可通用地描述不同环境中微物体从远距离到接触的耦合。