物理学院高鹏课题组实现界面声子输运动力学的亚纳米分辨探测
北京大学物理学院量子材料科学中心、电子显微镜实验室高鹏课题组利用电镜电子显微镜的快电子非弹性散射谱实现了亚纳米分辨的温度场和界面热阻测量，并阐明了由界面声子主导的跨界面热输运的微观机制。2025年6月11日，该成果以《跨界面声子输运动力学的电子显微探测》（“Probing phonon transport dynamics across an interface by electron microscopy”）为题发表于《自然》（Nature），同期编辑部发表题为《半导体材料界面纳米尺度热输运的追踪》（“Nanoscale heat transport tracked at interface between semiconductor materials”）的研究简报（Research Briefing），为非专业人士提供易于理解的研究介绍，以及该研究背后作者、审稿人、编辑观点。
声子是众多物理过程的纽带，如热传导、电输运、光传播与发射等，因此声子研究备受关注。比如，当今先进的半导体芯片由于尺寸小、功率大，界面两侧声子失配引起的界面热阻已经成为限制其性能提升的瓶颈。但是这些界面热输运研究存在诸多挑战，现有的探测手段空间分辨率都无法匹配亚10nm量级的先进芯片工艺制程，并且通常缺乏对包埋界面的探测能力。事实上，早在上世纪Gerald L. Pollack就将“如何测量界面附近微米尺度温度的变化”列为了一个亟待解决的重要科学问题。
在该工作中，高鹏团队发展了一种基于声子输运可视化的电子显微技术，实现了亚纳米分辨的温度测量、热阻测量、声子输运动力学探测。他们在电镜中设计了原位热输运器件，在AlN/SiC半导体异质结中构建了稳定的热流，从而实现了迄今为止报道的界面温度表征的最高空间分辨率——亚纳米分辨。据此，他们提出一种利用电镜来测量纳米尺度热阻的全新方法，可广泛应用于界面、缺陷、纳米结构等体系。他们发现在施加至180K/μm的温度梯度后，AlN/SiC界面处约2纳米范围内出现约10—20K的温度突变。相比之下，块体AlN或SiC中相似的温降需跨越数十至数百纳米，这表明该体系的界面热阻是块体材料的30—70倍，凸显了其在纳米器件热阻中的主要贡献。在热流下，界面附近约3纳米的空间范围内存在偏离玻色-爱因斯坦分布的非平衡声子态。通过对比正向、反向热流下局域界面声子模式的不对称布局，研究团队揭示了界面模式参与的非弹性声子输运动力学过程，为芯片界面工程和先进热管理材料等的研究提供了理论指导。
图1 声子输运可视化的显微技术。a. 实验设计示意图；b. AlN/SiC界面附近的等温线分布图（彩色线条）和温度梯度方向（黑色箭头）。比例尺：200nm
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，高鹏为论文通讯作者。其他作者还包括中国科学院半导体研究所研究员刘志强和北京大学物理学院电子显微镜实验室高级工程师杜进隆。此外，俞大鹏院士在电镜谱学、刘忠范院士在热传导、王恩哥院士在界面物理和声子物理领域对该工作提供了启发性讨论与指导性帮助。
上述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的支持。
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