近幾十年來(lái)，各種微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的快速發(fā)展為微納米尺度熱輸運(yùn)的精密測(cè)量奠定了新基石，并提供了前所未有的便利性和可能性，其應(yīng)用范圍甚至涵蓋了亞納米特征尺度的單壁碳納米管和單原子層石墨烯等多種顛覆性材料。然而，許多至少在某一維度上達(dá)到宏觀尺度（毫米及以上）的材料，比如金屬絲、碳纖維和聚合物纖維/薄膜等，仍然難以通過(guò)基于MEMS的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究。鑒于這些宏觀材料在基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用中的巨大價(jià)值以及現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法和商業(yè)設(shè)備存在的諸多局限和挑戰(zhàn)，北京大學(xué)宋柏研究員團(tuán)隊(duì)于2023年初提出Big-MEMS熱測(cè)量新概念，以填補(bǔ)這一顯著的研究空白。
圖1 Big-MEMS熱測(cè)量方法示意圖
Big-MEMS概念的核心是基于標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝設(shè)計(jì)制造出適用于宏觀尺度樣品的熱測(cè)量器件，從而根本性地拓展熱測(cè)量能力。作為示范，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新穎的工藝流程，能夠可靠、可重構(gòu)、模塊化且低成本地制造出尺寸在毫米至厘米級(jí)別的硅基懸空加熱/量熱器件（圖1和圖2）。
圖2 硅基Big-MEMS器件掃描電子顯微鏡照片
這些Big-MEMS器件具有顯著優(yōu)勢(shì)：其懸空梁的熱導(dǎo)可在約0.2至1.1mW/K之間靈活調(diào)節(jié)，同時(shí)具備低至約20μK的溫度分辨率，使其能夠適用于表征熱導(dǎo)率范圍廣泛的各類材料（圖3）。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，研究人員成功測(cè)量了直徑為20微米、長(zhǎng)度達(dá)3.5毫米的鉑金屬絲的熱導(dǎo)率，測(cè)量值（70.9±1.6Wm-1K-1）與文獻(xiàn)值（71.7Wm-1K-1）高度吻合。這一結(jié)果初步展示了Big-MEMS技術(shù)在宏觀樣品熱輸運(yùn)精密測(cè)量方面的獨(dú)特能力。
圖3 硅基Big-MEMS器件基本量熱表征
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)掘Big-MEMS在高熱導(dǎo)率乃至超高熱導(dǎo)率（>1000Wm-1K-1）材料測(cè)試中的應(yīng)用潛力。高熱導(dǎo)率材料是傳熱學(xué)研究的焦點(diǎn)，在芯片散熱等重大需求領(lǐng)域以及高階聲子散射等熱輸運(yùn)機(jī)理的前沿探索中占據(jù)核心地位。然而，高熱導(dǎo)率的精確測(cè)量長(zhǎng)期存在諸多挑戰(zhàn)，關(guān)鍵因素包括相對(duì)較高的接觸熱阻以及高熱導(dǎo)樣品內(nèi)部較小的溫差等。盡管時(shí)域熱反射、頻域熱反射以及瞬態(tài)熱光柵等各類激光泵浦探測(cè)技術(shù)已被成功應(yīng)用于多種超高熱導(dǎo)率材料的表征（如金剛石、立方砷化硼、同位素純化的立方氮化硼），但其微區(qū)測(cè)量的特點(diǎn)仍然限制了研究人員對(duì)宏觀樣品整體熱物性的認(rèn)識(shí)。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)與局限，宋柏團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)制造出氮化硅基的Big-MEMS器件，從而大幅降低（約三個(gè)數(shù)量級(jí)）懸空梁自身的熱導(dǎo)。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了多點(diǎn)加熱/量熱（multiprobe）的測(cè)試方法，最終實(shí)現(xiàn)了多種典型高熱導(dǎo)率材料的準(zhǔn)確測(cè)量（圖4）。
圖4 高熱導(dǎo)率量熱測(cè)試示意圖
為驗(yàn)證該方法的可靠性，團(tuán)隊(duì)首先對(duì)毫米長(zhǎng)度的鉑絲、金絲和銀絲的室溫?zé)釋?dǎo)率進(jìn)行表征，實(shí)驗(yàn)數(shù)值（分別為69.5±1.7、313.3±15.7、422.0±13.6Wm-1K-1）與文獻(xiàn)數(shù)值（71.7、317、429Wm-1K-1）高度吻合。進(jìn)一步，在本征硅的變溫實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)在80K左右的低溫區(qū)測(cè)量得到了超過(guò)1000Wm-1K-1的超高熱導(dǎo)率數(shù)值，并且在整個(gè)溫區(qū)與文獻(xiàn)值高度一致（圖5）。這一系列結(jié)果充分凸顯了Big-MEMS方法在熱輸運(yùn)精密測(cè)量領(lǐng)域的重要價(jià)值。
圖5 本征硅熱導(dǎo)率測(cè)試
Big-MEMS概念原則上還可以拓展應(yīng)用到熱擴(kuò)散率、比熱乃至電荷輸運(yùn)等更為廣泛的測(cè)量對(duì)象，在諸如低維材料發(fā)散熱導(dǎo)率以及表面電磁模式熱傳導(dǎo)等奇異輸運(yùn)機(jī)制的探索中提供獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)支撐。綜上所述，該研究進(jìn)展既有望推動(dòng)先進(jìn)熱功能材料和熱管理技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)探索也具有重要意義。
相關(guān)成果近期分別以“Big Micro-Electromechanical Systems for Thermal Measurement”和“Big-MEMS for high thermal conductivity measurement”為題發(fā)表于國(guó)際傳熱學(xué)頂刊ASME Journal of Heat and Mass Transfer（Special Issue celebrating Prof. Gang Chen' s 60th birthday）以及專注實(shí)驗(yàn)方法與科研儀器的經(jīng)典期刊Review of Scientific Instruments。宋柏團(tuán)隊(duì)博士生何海宇（已畢業(yè)）為兩篇文章的第一作者，博士后王毓熙分別為共同第一作者和共同通訊作者，參與作者還包括博士生江智耀。成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、新基石科學(xué)基金會(huì)“科學(xué)探索獎(jiǎng)”以及北京大學(xué)微米納米加工技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。
