来源 | Nature

链接 | https://www.nature.com/articles/s41586-025-09108-6

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引言

此前，2024年5月北京大学工学院杨林研究员与北京大学物理学院高鹏教授、杜进隆工程师及西安交通大学岳圣瀛教授团队就提出了实验探究非均匀应力对导热调控的新策略。研究成果以“Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain”为题发表在《Nature》。

团队通过在自制的悬空微器件上弯曲单个硅纳米带（SiNRs）来诱发非均匀应变场，并利用具有亚纳米分辨率的基于扫描透射电子显微镜的电子能量损失谱（STEM-EELS）技术表征局域晶格振动谱，研究结果显示，0.112％/nm应变梯度将导致热导率（κ）显著降低34±5％，这是先前文献中均匀应变下热导率调制结果的3倍以上（图1）。该成果揭示了均匀应力下不存在的，由应变梯度导致的独特声子谱扩展效应及其对导热的反常抑制现象。

在芯片热管理逐步逼近物理极限的今天，如何“看见”热阻背后的声子行为，成为材料科学的一道核心难题。北京大学高鹏教授团队近日在《Nature》上给出了突破性答案。

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背景介绍

信息技术的迅猛发展对半导体热管理提出了更高要求。随着器件尺寸不断缩小、功率密度不断提高，半导体材料界面逐渐成为热阻的主导因素，严重影响器件性能和可靠性，给芯片级热管理带来了严峻挑战。理解半导体材料界面间的热传导机制对于推进半导体热管理技术发展至关重要，特别是对于在极端功率密度下运行的微型化设备。在半导体中，声子是主要的热载体，但是在界面处，由于界面处化学键断裂、元素组成不连续、结构对称性破缺等因素影响，声子能量与动量严重失配，造成剧烈的声子散射，从而增强热阻，进一步加剧局部热热点的形成。所以，虽然理论上已确定声子为主导机制控制半导体界面热传输过程，但由于难以测量埋藏界面处的温度分布和非平衡声子态，这一过程在纳米尺度上的动态行为仍难以通过实验精确捕捉。

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成果掠影

近日，北京大学物理学院高鹏教授团队利用电子显微镜下的原位振动电子能量损失谱（EELS），对AlN–SiC界面上的声子传输动态行为进行了亚纳米分辨率研究。团队首次实现了纳米尺度温度场和界面热阻测量，阐明了界面模式参与的声子跨界面输运的微观机制。团队通过制备异质结构薄膜，在界面建立起约180 K/μm的稳定温度梯度，并进行EELS测试绘制出纳米温度分布图谱。从高分辨率温度分布图中提取出界面约2nm内的温度骤降，并与体相热导进行比较，得出界面相对热阻，其特征尺度在不同温度下介于几十到几百纳米之间。EEG信号表明，界面散射会在距界面约3nm内形成显著的非平衡声子区，并导致AlN中光学声子的模态温度变化。进一步发现，热流方向会影响界面声子模式的非平衡占据数：在正向/反向热流下，75/90 meV的α/β声子模式分别被显著激发。结合模式分辨的NEMD模拟，研究发现，在非弹性散射过程中，界面声子更倾向于与高能量体相声子耦合，无论其来自热端还是冷端。该工作展示了一种“声子输运电子显微术”方法，适用于研究埋藏界面和结构缺陷的纳米热输运行为。研究成果以“Probing phonon transport dynamics across an interface by electron microscopy”为题发表在《Nature》。

北京大学前沿交叉科学研究院2020级博士研究生刘法辰、北京大学物理学院量子材料科学中心2022级博士研究生毛瑞麟为文章共同第一作者，高鹏教授为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、科学探索奖、北京大学电子显微镜实验室、北京大学高性能计算平台、量子物质科学协同创新中心、轻元素量子材料交叉平台等支持。

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图文导读

现有的微观热输运的研究手段，如光热拉曼法、瞬态热反射技术、扫描热探针显微镜等，空间分辨率都没有突破10 nm，难以适用于复杂界面系统，并且无法同时探测微观声子态。这使得长期以来，热输运研究无法深入纳米界面，而且缺少实验方法将局域声子态与热输运性质关联。高鹏课题组团队搭建了专为扫描透射电子显微镜设计的原位加热装置，通过对样品进行微纳加工，巧妙地构建了一端加热，一端散热的样品结构，可以在中间的传热条带上构建稳定的温度梯度，从而研究微观热输运。

图1.原位STEM-EELS用于探测跨界面声子传输动力学。a. 原位加热STEM-EELS实验装置示意图。b. 理想化一维稳态热传导模型中界面附近温度分布示意图。c. 从热端AlN至冷端SiC采集的电子能量损失谱与能量增益谱。d. 激发态声子布居数N随温度与能量的变化关系。

研究团队展现了一种基于STEM的高空间分辨测量相对界面热阻的新方法，适用于微观层面的局域热阻分析，有希望将微观结构与热性能关联，表征界面粗糙、单个缺陷、纳米中间层的热阻。此外，团队还通过施加正向、反向的跨界面热流，在界面附近展现出独特的声子非平衡性质。

图2.AlN-SiC界面在热流作用下的温度分布图与界面热阻表征。a. AlN-SiC界面的低倍高角环形暗场（HAADF）像（左）与原子分辨率图像（右）。b. 损失与增益散射强度比的对数随声子能量变化的线性关系图。c. (a)图白色虚线框区域的温度分布图（上图）及各行的温度剖面（下图）d. 对应等温线图与温度梯度场。e.不同加热电流下跨越界面的温度剖面。f. 根据AlN与SiC各自的界面温度降和体材料温度梯度关系导出的界面特征长度，用于量化相对界面热阻。


图3.在正向（AlN → SiC）和反向（SiC → AlN）热流下界面处的非平衡声子动力学。 a,b. 小空间尺度下正向与反向热流条件温度分布图；c-f. 正向与反向热流下采集的能量增益谱(c,d)以及对应电子能量损失谱(e,f)。g. 由c-f图提取的SiC区（红线）、AlN区（蓝线）及界面区（绿色填充）声子谱。底部为计算声子态密度。h. 采用最小二乘拟合扣除体材料SiC与AlN谱分量后的界面残差谱。i. 计算得到的界面附近声子模态温度空间分布。j. 跨界面非平衡声子传输示意图。计算的ΓA方向（热流方向）声子模式对应的模态温度通过曲线颜色显示。中央颜色条带图为实验EEG数据中提取的界面模式布居数。箭头表示α与β模式相关的三声子散射过程：绿色为吸收过程，灰色为发射过程。实心箭头表示过程被增强，空心箭头表示过程被抑制。 

研究团队通过对声子跨界面输运的微观机制分析指出，界面局域模式可以促进两侧体态的非弹性散射，缓解声子失配造成的体态声子非平衡。这些发现进一步揭示了界面模式作为声子桥促进界面热输运的详细过程，为跨界面热输运提供了新见解，有助于指导界面工程和先进热管理。

高鹏，北京大学博雅特聘教授，国家杰出青年基金获得者，国家重点研发计划首席科学家。获得中国科学技术大学获得物理学学士、中国科学院物理研究所凝聚态物理学博士学位， 曾在美国密歇根大学、美国布鲁克海文国家实验室、日本东京大学从事研究工作。从事原子尺度界面科学研究，研究工作入选中国电子科技十大进展（2017）、中国光学十大进展（2020）、中国半导体十大研究进展（2021）等。

主要研究兴趣是利用电子散射（电子显微术&电子能量损失谱学）等研究薄膜异质界面、晶体缺陷、纳米材料表面等的原子结构、电子结构、声子结构、非平衡态等。目前主要研究课题包括：界面声子学，半导体界面设计，低维铁电与拓扑缺陷，电子显微学和电子能量损失谱学等。