微纳尺度下声子热传导与热流调控-同济大学

微纳尺度下声子热传导与热流调控一直是多个学科研究的前沿领域。声子学与热能科学中心研究员徐象繁一直致力于该课题的实验研究，取得了一些列研究成果。

热现象无时无处不在，它影响着人类生活的方方面面。然而，在实际的生产生活中，大部分热（约60%）都被转换成废热和废气浪费掉了。如果能将这些废热进行重新利用和转换，即热-电转换，则不失为一种清洁可再生绿色能源，有望为全球能源危机提供一个解决方案。另一方面，散热是各种电子和光电器件的关键需求。半导体集成电路的器件集成度按照摩尔定律(Moore’s law)快速增加。目前普遍采用的纳米晶体管生产工艺可以在一平方厘米的面积内集成数十亿个晶体管。如此密集的晶体管在以极高频率工作时必然会产生巨大的热量，会使得电子器件的局部温度急剧升高，形成热点(hot spot)。过高的温度会大大降低器件的可靠性和运行速度，并最终导致集成电路被烧毁。因此，如何有效地利用废热和如何实现微纳米结构中热管理已然成为热传导领域研究的两大热点问题。要研究固体中的声子并实现对其有效调控，必须先提到声子两个微纳米尺度的特征长度：波长和平均自由程。当一个材料的尺寸接近声子特征长度时，其声子数量会显著降低，从而使得科学家们可以更加容易地实现对声子的调控。因此，为了控制热流，一个最直接有效的方法便是设计出与声子特征长度相当的器件。这就决定了微纳米结构材料在声子学研究领域的重要地位。要操控微纳材料，并准确测量其热导率，是一项非常具有挑战的实验。

同济大学声子学与热能科学中心主要开展声子/热的基本定律，声子与其他热载体，如电子、光子、磁化子等相互作用的理论、计算模拟和实验研究。中心徐象繁研究员近年来致力于微纳尺度热传导与热流调控的实验研究，已自行搭建多套(悬空热桥法，见图1)可用于一维及二维材料热传导测量的实验平台(Sci. Rep. 6, 25334 (2016); Nat. Comm. 5, 3689 (2014))。

图1搭建的三套低维材料热导测量系统(a)和一套自行研发的电子束自加热测量系统(b)。

利用悬空热桥法并结合“温和”氧等离子体轰击实现了硫化钼热导率在其晶体本征热导率和非晶态热导率之间的原位连续测量和调控。分子动力学模拟计算表明低缺陷浓度下声子-缺陷散射导致的声子透射系数下降并引起热导率的下降。实验中我们观测到了二维硫化钼热导率在一定缺陷浓度阈值下的急剧下降现象。高分辨率透射电子显微镜图和电子衍射图样以及热导率的温度依赖关系表明，该阈值对应于二位硫化钼在晶态到非晶态的转变域值(图2b)。通过调控，二维硫化钼的热导率最终趋近其非晶态热导率值，与最低热导率理论计算的结果吻合。本实验提供了一种可以原位连续测量和调控微纳尺度材料热导率的技术手段。该实验和技术在热电，光电以及其在未来高度集成和小型化应用中都有潜在应用价值。该文章以封面(图2a)的形式于2018年1月发表在杂志Nanoscale，10, 2727 (2018)。

图2 热传导精密测量及热流调控

发展新技术或者拓展并应用现有技术到更新更具有挑战性的系统中是各种新材料和新系统的热学、热电性质研究中的两个重要方面。接触热阻和界面热阻的测量是微纳尺度热传导测量和调控中存在的瓶颈。我们利用聚焦电子束自加热法测量了悬空硫化钼的本征热导率并结合悬空热桥法测量和计算出了硫化钼与铂电阻丝的接触热阻以及界面热阻。测量所得的悬空硫化钼本征室温热导率约为~30 W/mK, 估算所得的界面热阻约为~ 2×10−6 m2K/W。本实验中我们成功将聚焦电子束自加热法成功拓展应用到悬空二维系统，为将来直接测量多种二维异质结系统的本征热导率和界面热阻提供了可能(图2d)。相关工作发表于Science Bulletin上：Measuring the thermal conductivity and interfacial thermal resistance of suspended MoS2 using electron beam self-heating technique, Sci. Bull. 63, 452-458

(2018)。

不同于电子和光子，声子并不是一种真实粒子，而是一些不带电荷的由晶格振动形成的能量团。声子不受电场和磁场直接影响，因此控制声子要比控制电子难很多。精确地控制声子传输和制造实用功能的“声子学”器件是科学家的一个梦想。利用悬空热桥法，研究了悬空Y型纳米碳管团簇的热整流效应。实验发现在室温其热整流效率可达12%(图2c)。结合MD模拟发现该整流效应是由于不对称的声子穿透率引起的。相关工作发表于Carbon杂志上：thermal rectification in Y-junction carbon nanotube, Carbon 140, 673-679 (2018)。