想象一下，如何給芯片內(nèi)部原子級別的熱流拍張“高清照片”？這看似科幻的挑戰(zhàn)，已被中國科學(xué)家變?yōu)楝F(xiàn)實。北京大學(xué)高鵬教授團(tuán)隊日前在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表突破性成果，他們利用一種基于聲子輸運(yùn)可視化的電子顯微技術(shù)，首次實現(xiàn)了亞納米尺度的熱流“可視化”，為芯片散熱這一世紀(jì)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(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致芯片內(nèi)部界面數(shù)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(tǒng)熱測量技術(shù)面對亞10納米量級的先進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)，分辨率嚴(yán)重不足，更無力探測深埋材料內(nèi)部的界面。高鵬團(tuán)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(shù)。

他們?nèi)缤谖⒂^世界搭建精密實驗室：在電子顯微鏡內(nèi)設(shè)計專用原位熱輸運(yùn)裝置，在關(guān)鍵的寬禁帶半導(dǎo)體氮化鋁—碳化硅異質(zhì)結(jié)界面上“雕刻”出定向熱流通道，構(gòu)建出穩(wěn)定的溫度梯度。通過捕捉電子與聲子相互作用的獨(dú)特“指紋”——非彈性散射聲子譜，團(tuán)隊實現(xiàn)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(nèi)，溫度竟驟降10至20攝氏度！這相當(dāng)于在完美晶體材料中跨越數(shù)百納米才能觀察到的溫差。計算表明，該界面的熱阻高達(dá)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(nèi)部熱阻的“主戰(zhàn)場”。

此外，團(tuán)隊還首次捕捉到熱流下聲子的“非平衡態(tài)”：在界面附近約3納米的狹窄區(qū)域，聲子分布明顯偏離了平衡狀態(tài)。通過精巧地比較正、反熱流方向下聲子態(tài)的不對稱演化，他們揭示了隱藏其中的非彈性聲子輸運(yùn)機(jī)制——界面局域模式在其中扮演了關(guān)鍵角色。這為從原子層面設(shè)計低熱阻界面提供了珍貴的理論藍(lán)圖。

“在納米尺度測溫已是巨大挑戰(zhàn)，而本文更進(jìn)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(diào)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(shè)備意義重大——在那里，熱管理是生死攸關(guān)的技術(shù)。”

“這套技術(shù)成功測繪了原子級薄層界面的溫度分布，直指數(shù)十年前的科學(xué)難題——能否在微觀尺度下看清界面附近的溫度？”高鵬強(qiáng)調(diào)，“它不僅能實現(xiàn)亞納米分辨的熱成像，更能追蹤搬運(yùn)熱量的聲子的動態(tài)輸送過程，為散熱材料、熱電轉(zhuǎn)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(jìn)一步說，當(dāng)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(guān)乎你手中更強(qiáng)大的手機(jī)芯片，更預(yù)示著能源利用效率跨越式提升的未來。”