大数据传输、云计算、人工智能技术、物联网等各种现代信息技术的快速发展，对网络传输速度和容量提出了更高的要求，需要进一步发展更高功率、更高速度的电子设备。随之而来的就是纳米器件中强烈的焦耳热效应会增加通道温度并严重降低器件性能，需要更好的热管理技术：一方面需要使用更好的散热材料，另一方面需要提高接触界面热导。对于小尺寸的高功率器件，界面的导热能力实际上已经成为制约器件性能提升的瓶颈，因此研究它们的界面导热机制尤其重要。在这些半导体器件中，界面热导主要是由异质结界面附近的几个原子层产生的界面声子决定的。但目前人们对于界面声子如何影响界面热导知之甚少，主要原因是缺乏有效实验测量界面声子的手段。 北京大学物理学院量子材料科学中心和电子显微镜实验室的高鹏课题组 利用自主研发的兼具空间分辨和动量分辨能力的四维电子能量损失谱技术，与清华大学和南方科技大学的合作者测量了第三代半导体AlN与Si衬底、金属Al电极界面的晶格动力学行为，并探索了这两种体系里不同界面声子模式的输运行为以及对热导的贡献。 他们发现AlN/Si和AlN/Al的界面声子模式迥然不同，从而导致界面热导数倍的差异。之前理论上将界面声子分为四类：扩展模式、局域模式、部分扩展模式和孤立模式。其中扩展模式和局域模式与界面两侧的体态声子都有很强的关联，使得一侧的声子通过弹性/非弹性散射穿过界面到另一侧，充当连接两侧体态声子的桥梁，从而有助于提升界面热导；而部分扩展模式和孤立模式对界面热导贡献很小。研究团队首先在AlN/Si异质结界面上观测到了界面模式具有明显的桥效应：界面存在原子尺度局域的声子模式，与界面两侧AlN和Si的不同能量的体声子都能发生非弹性散射从而交换能量；此外，也观察到了明显的界面扩展模式。这两种模式都能有效促进界面热量的传输。而在AlN/Al界面，并没有观察到明显的由局域模式或扩展模式构成的声子桥，其界面声子模式主要为部分扩展模式，对热量的传输效率较低。这些结果解释了为什么AlN/Al的界面热导要远小于AlN/Si。该工作深化了我们对界面声子传输和热输运的理解，尤其为基于氮化物的高功率、高电子迁移率晶体管和大功率发光二极管等半导体器件的热管理提供了有用的信息。 图1. (a) AlN/Si 和AlN/Al界面的原子结构和原子分辨的声子谱。(b) 声子态密度和界面热导的贡献。上、中、下三幅图分别代表不同类声子占总声子态密度的比例、占总界面热导的比列、平均每个声子对界面热导的贡献。(c) 声子桥效应。其中扩展模式能够直接穿过异质结界面传输能量，而局域模式则是以界面为媒介通过多次非弹性散射传输能量。
相关成果以 “Atomic-scale probing of heterointerface phonon bridges in nitride semiconductor”为题，于2022年2月18日在线发表于《美国国家科学院院刊》 （Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2022, 119, e2117027119）。李跃辉博士为论文第一作者，高鹏教授为论文通讯作者。其他主要合作者包括清华大学罗毅院士团队、清华大学和南方科技大学薛其坤院士团队。
通讯作者
高鹏 ，北京大学博 雅特聘教授。 国家杰出青年基金获得者，国家重点研发计划首席科学家。 现工作于北京大学量子材料科学研究中心与北京大学电子显微镜实验室。长期从事材料界面科学研究，主要研究兴趣是设计制备原子尺度的功能界面，以及揭示界面的原子结构、电子结构、声子结构、非平衡态等。在Nature、Science、PRL 等期刊发表论文300余篇。
第一作者
于2017年获哈尔滨工业大学物理学学士学位，2022年获北京大学博士学位。主要研究方向为电子能量损失谱学技术研究表界面与低维材料体系的声子相关物性。多篇论文发表于Nature、Nature Materials、PNAS 等期刊。
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