北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、電子顯微鏡實驗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現(xiàn)了亞納米分辨的溫度場和界面熱阻測量，并闡明了由界面聲子主導(dǎo)的跨界面熱輸運的微觀機(jī)制。2025年6月11日，該成果以《跨界面聲子輸運動力學(xué)的電子顯微探測》（“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的追蹤》（“Nanoscale heat transport tracked at interface between semiconductor materials”）的研究簡報（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。

聲子是眾多物理過程的紐帶，如熱傳導(dǎo)、電輸運、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研究存在諸多挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的探測手段空間分辨率都無法匹配亞10nm量級的先進(jìn)芯片工藝制程，并且通常缺乏對包埋界面的探測能力。事實上，早在上世紀(jì)Gerald L. Pollack就將“如何測量界面附近微米尺度溫度的變化”列為了一個亟待解決的重要科學(xué)問題。

在該工作中，高鵬團(tuán)隊發(fā)展了一種基于聲子輸運可視化的電子顯微技術(shù)，實現(xiàn)了亞納米分辨的溫度測量、熱阻測量、聲子輸運動力學(xué)探測。他們在電鏡中設(shè)計了原位熱輸運器件，在AlN/SiC半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中構(gòu)建了穩(wěn)定的熱流，從而實現(xiàn)了迄今為止報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)。通過對比正向、反向熱流下局域界面聲子模式的不對稱布局，研究團(tuán)隊揭示了界面模式參與的非彈性聲子輸運動力學(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 聲子輸運可視化的顯微技術(shù)。a. 實驗設(shè)計示意圖；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)院電子顯微鏡實驗室高級工程師杜進(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家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、科學(xué)探索獎、北京大學(xué)電子顯微鏡實驗室、北京大學(xué)高性能計算平臺、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等的支持。