【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室高鵬課題組利用電鏡電子顯微鏡的快電子非彈性散射譜實(shí)現(xiàn)了亞納米分辨的溫度場(chǎng)和界面熱阻測(cè)量，并闡明了由界面聲子主導(dǎo)的跨界面熱輸運(yùn)的微觀機(jī)制。2025年6月11日，該成果以《跨界面聲子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)的電子顯微探測(cè)》(“Probing phonon transport dynamics across an interface by electron microscopy”)為題發(fā)表于《自然》(Nature)，同期編輯部發(fā)表題為《半導(dǎo)體材料界面納米尺度熱輸運(yùn)的追蹤》(“Nanoscale heat transport tracked at interface between semiconductor materials”)的研究簡(jiǎn)報(bào)(Research Briefing)，為非專業(yè)人士提供易于理解的研究介紹，以及該研究背后作者、審稿人、編輯觀點(diǎn)。
 

　　聲子是眾多物理過程的紐帶，如熱傳導(dǎo)、電輸運(yùn)、光傳播與發(fā)射等，因此聲子研究備受關(guān)注。比如，當(dāng)今先進(jìn)的半導(dǎo)體芯片由于尺寸小、功率大，界面兩側(cè)聲子失配引起的界面熱阻已經(jīng)成為限制其性能提升的瓶頸。但是這些界面熱輸運(yùn)研究存在諸多挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的探測(cè)手段空間分辨率都無法匹配亞10nm量級(jí)的先進(jìn)芯片工藝制程，并且通常缺乏對(duì)包埋界面的探測(cè)能力。事實(shí)上，早在上世紀(jì)Gerald L. Pollack就將“如何測(cè)量界面附近微米尺度溫度的變化”列為了一個(gè)亟待解決的重要科學(xué)問題。
 

　　在該工作中，高鵬團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于聲子輸運(yùn)可視化的電子顯微技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了亞納米分辨的溫度測(cè)量、熱阻測(cè)量、聲子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)探測(cè)。他們?cè)陔婄R中設(shè)計(jì)了原位熱輸運(yùn)器件，在AlN/SiC半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中構(gòu)建了穩(wěn)定的熱流，從而實(shí)現(xiàn)了迄今為止報(bào)道的界面溫度表征的最高空間分辨率——亞納米分辨。據(jù)此，他們提出一種利用電鏡來測(cè)量納米尺度熱阻的全新方法，可廣泛應(yīng)用于界面、缺陷、納米結(jié)構(gòu)等體系。他們發(fā)現(xiàn)在施加至180K/μm的溫度梯度后，AlN/SiC界面處約2納米范圍內(nèi)出現(xiàn)約10—20K的溫度突變。相比之下，塊體AlN或SiC中相似的溫降需跨越數(shù)十至數(shù)百納米，這表明該體系的界面熱阻是塊體材料的30—70倍，凸顯了其在納米器件熱阻中的主要貢獻(xiàn)。在熱流下，界面附近約3納米的空間范圍內(nèi)存在偏離玻色-愛因斯坦分布的非平衡聲子態(tài)。通過對(duì)比正向、反向熱流下局域界面聲子模式的不對(duì)稱布局，研究團(tuán)隊(duì)揭示了界面模式參與的非彈性聲子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)過程，為芯片界面工程和先進(jìn)熱管理材料等的研究提供了理論指導(dǎo)。
 

　　圖1 聲子輸運(yùn)可視化的顯微技術(shù)。a. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖；b. AlN/SiC界面附近的等溫線分布圖(彩色線條)和溫度梯度方向(黑色箭頭)。比例尺：200nm

 

　　北京大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院2020級(jí)博士研究生劉法辰、北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心2022級(jí)博士研究生毛瑞麟為文章共同第一作者，高鵬為論文通訊作者。其他作者還包括中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員劉志強(qiáng)和北京大學(xué)物理學(xué)院電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師杜進(jìn)隆。此外，俞大鵬院士在電鏡譜學(xué)、劉忠范院士在熱傳導(dǎo)、王恩哥院士在界面物理和聲子物理領(lǐng)域?qū)υ摴ぷ魈峁┝藛l(fā)性討論與指導(dǎo)性幫助。
 

　　上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科學(xué)探索獎(jiǎng)、北京大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、輕元素量子材料交叉平臺(tái)等的支持。