beat365官方网站電子顯微鏡實驗室、量子材料科學中心高鵬教授，beat365電子顯微鏡實驗室杜進隆高級工程師與合作者利用熱輸運測量、掃描透射電鏡的電子能量損失譜測量、第一性原理計算等，揭示了非均勻應變對單晶矽納米帶熱輸運性能的影響。研究表明，通過在單晶矽中引入非均勻應變，可以顯著地抑制矽納米帶的熱傳導。電子能量損失譜測量發現決定矽熱輸運物理性質的聲子光學支和聲學支在非均勻梯度應變調控下發生移動，引起了聲子色散展寬，增強了三聲子散射作用，從而顯著抑制了熱傳導。該研究工作提出了一種利用非均勻應變來調控熱傳導的新方式，為設計更好的熱電材料、熱開關器件、芯片熱管理技術等提供了新的思路。電鏡譜學技術為納米埃米尺度上的熱輸運研究提供了新手段。相關成果以“非均勻應力對矽納米帶導熱的反常抑制作用”（Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain）為題，于2024年5月16日發表在《自然》（Nature）。

作為晶格振動的元激發，聲子是決定物質熱導率的關鍵因素。晶格變化對應的應變效應，必然影響局域的聲子模式，從而改變熱傳導性質。在半導體器件工藝中，廣泛涉及到在晶格不匹配的襯底上生長外延薄膜如Si/SiGe等，從而不可能避免地會引入應變進一步影響局域的熱導率。事實上，有關應變對材料聲子結構和熱導率影響的研究，目前主要集中在均勻應變的簡化條件下的體系中，而關于非均勻應變對材料聲子結構和熱導率的影響則鮮有報道。這一方面是由于局域的聲子本身難以測量，另外一方面很難在實驗上将局域的應變梯度效應和元素梯度效應進行解耦。因此，對非均勻應變如何影響納米材料、芯片界面等的熱導知之甚少。

為了揭示非均勻應變對材料聲子結構和熱導率的影響，聯合研究團隊通過在自主設計的微器件上制備彎曲的單晶矽納米帶來引入非均勻應變并測量了其對矽納米帶熱輸運性能的影響。結果表明，每納米0.112%的應變梯度可導緻單晶矽熱導率急劇降低34±5%，這一數值是均勻應變下的3倍以上。利用掃描透射電子顯微鏡電子能量損失譜(STEM-EELS)在納米尺度上對矽納米帶聲子結構進行測量，結果表明彎曲單晶矽納米帶中壓應力引起橫向光學(TO)聲子模式藍移，拉應力引起其紅移，而橫向聲學(TA)聲子模式則表現出相反的趨勢，從而引起整個聲子譜的展寬。結合第一性原理計算，結果表明，彎曲引起的晶格應變梯度的确顯著改變了聲子的振動态造成聲子色散展寬。這種展寬效應增強了多聲子散射，縮短了聲子壽命，最終抑制了單晶矽納米帶熱導率。

這項研究表明非均勻應變可為納米材料和界面的熱傳導性能的調控提供新的自由度，該發現對于納米材料、界面器件的熱管理，以及熱電材料、熱開關器件的設計都具有重要意義。具有原子分辨的電鏡非彈性散射譜學技術為納米埃米尺度的熱輸運行為研究提供了新的手段。

圖1. 非均勻應變單晶矽納米帶聲子結構的納米尺度測量。（a）掃描透射電鏡的電子能量損失譜（STEM-EELS）光路示意圖。（b-c）帶有扭結的彎曲矽納米帶的STEM圖像和EELS測量區域的放大STEM圖像；（d）沿應變梯度不同位置(P1 ~ P5)的橫向聲學(TA)和橫向光學(TO)聲子模式的EELS譜圖，其中橫向聲學模式表現出約2.2 meV的藍移，而橫向光學模式表現出約6.0 meV的紅移。彈性應變取值範圍為−3.14% ~ 3.26%。通過高斯拟合提取峰值位置。（e）無扭結彎曲矽納米帶的STEM圖像。黃色矩形表示EELS信号采集區域，通過将三維數據集的每個列譜沿軸向(垂直于應變梯度)求和來提高信噪比。（f）橫向聲模和橫向光模沿電子束移位方向的振動譜圖。（g）圖e中标記區域沿應變梯度的EELS譜線。

beat365工學院先進制造與機器人系楊林研究員、西安交通大學航空航天學院多尺度力學與醫學實驗室，機械結構強度與振動國家重點實驗室嶽聖瀛教授為論文共同第一作者，楊林、杜進隆、高鵬為論文通訊作者。其他合作者包括東南大學陳雲飛課題組、beat365戴兆賀課題組、beat365宋柏課題組和美國範德堡大學Deyu Li課題組。

上述研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、beat365電子顯微鏡實驗室、量子物質科學協同創新中心、科學探索獎等支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07390-4