- 芯片內的原子級熱流“可視化”成為現實
- 2025年06月17日來源：光明網
提要：在芯片這個微縮宇宙里，熱量是性能的隱形殺手。隨著芯片工藝逼近物理極限，納米級制程、復雜結構導致芯片內部界面數量激增。聲子，這一晶格振動的能量量子，在跨越這些微小界面時遭遇重重阻礙，形成頑固的界面熱阻，如同無形的堤壩阻擋熱流，成為高端芯片性能提升的致命瓶頸。
想象一下，如何給芯片內部原子級別的熱流拍張“高清照片”？這看似科幻的挑戰，已被中國科學家變為現實。北京大學高鵬教授團隊日前在國際學術期刊《自然》發表突破性成果，他們利用一種基于聲子輸運可視化的電子顯微技術，首次實現了亞納米尺度的熱流“可視化”，為芯片散熱這一世紀難題帶來了新曙光。
在芯片這個微縮宇宙里，熱量是性能的隱形殺手。隨著芯片工藝逼近物理極限，納米級制程、復雜結構導致芯片內部界面數量激增。聲子，這一晶格振動的能量量子，在跨越這些微小界面時遭遇重重阻礙，形成頑固的界面熱阻，如同無形的堤壩阻擋熱流，成為高端芯片性能提升的致命瓶頸。
然而，看清這些原子級的熱流并非易事。傳統熱測量技術面對亞10納米量級的先進芯片結構，分辨率嚴重不足，更無力探測深埋材料內部的界面。高鵬團隊另辟蹊徑，將目光投向了電子顯微鏡中的快電子非彈性散射技術。
他們如同在微觀世界搭建精密實驗室：在電子顯微鏡內設計專用原位熱輸運裝置，在關鍵的寬禁帶半導體氮化鋁—碳化硅異質結界面上“雕刻”出定向熱流通道，構建出穩定的溫度梯度。通過捕捉電子與聲子相互作用的獨特“指紋”——非彈性散射聲子譜，團隊實現了史無前例的突破：亞納米級溫度場成像。
實驗揭示的微觀熱圖令人驚嘆：在氮化鋁—碳化硅界面處，僅僅2納米的微小跨度內，溫度竟驟降10至20攝氏度！這相當于在完美晶體材料中跨越數百納米才能觀察到的溫差。計算表明，該界面的熱阻高達完美晶體材料的30至70倍，清晰印證了微小界面正是芯片內部熱阻的“主戰場”。
此外，團隊還首次捕捉到熱流下聲子的“非平衡態”：在界面附近約3納米的狹窄區域，聲子分布明顯偏離了平衡狀態。通過精巧地比較正、反熱流方向下聲子態的不對稱演化，他們揭示了隱藏其中的非彈性聲子輸運機制——界面局域模式在其中扮演了關鍵角色。這為從原子層面設計低熱阻界面提供了珍貴的理論藍圖。
“在納米尺度測溫已是巨大挑戰，而本文更進一步，揭示了極小尺度下熱流如何穿越界面，以及聲子如何‘穿針引線’般調控這一過程。”《自然》資深編輯高度評價，“這些材料對高功率電子設備意義重大——在那里，熱管理是生死攸關的技術。”
“這套技術成功測繪了原子級薄層界面的溫度分布，直指數十年前的科學難題——能否在微觀尺度下看清界面附近的溫度？”高鵬強調，“它不僅能實現亞納米分辨的熱成像，更能追蹤搬運熱量的聲子的動態輸送過程，為散熱材料、熱電轉換乃至下一代芯片中的界面熱管理研究開啟全新維度。”
高鵬進一步說，當電子顯微鏡化身為洞察原子熱浪的“超級溫度計”，人類對微觀世界的熱操控正迎來前所未有的清晰圖景。“這不僅關乎你手中更強大的手機芯片，更預示著能源利用效率跨越式提升的未來。”
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