1 工作简介

         ——实现半导体界面热输运的亚纳米分辨可视化随着先进半导体芯片不断向小型化与高功率密度方向发展，芯片中因界面两侧声子模式失配所引发的界面热阻，已成为制约其性能与可靠性的关键瓶颈。然而，传统热探测技术在空间分辨率上难以匹配当前亚10纳米工艺节点的先进芯片结构，同时也缺乏对埋入式界面热行为的直接探测能力。早在上世纪六十年代，Gerald L. Pollack就已将“如何在界面附近微米尺度范围内测量温度变化”列为亟待攻克的重要科学难题。

针对这一长期挑战，北京大学高鹏研究团队取得了突破性进展。他们发展了一种基于声子输运可视化的电子显微技术，首次实现了亚纳米分辨率下的温度场成像、热阻定量测量以及声子输运动力学的原位探测。研究团队在扫描透射电子显微镜（STEM）中集成自主研发的原位热输运器件，在宽禁带半导体氮化铝/碳化硅（AlN/SiC）异质结中成功构建了稳定的热流环境，从而实现了迄今最高空间分辨率（亚纳米级）的界面温度表征。基于这一技术，他们提出了一种全新的电子显微热阻测量方法，该方法具备潜力应用于各类界面、缺陷及纳米结构体系的热特性研究。

在实验中，当施加高达180 K/μm的温度梯度时，AlN/SiC界面处仅在大约2纳米范围内就出现了10–20 K的温度突变。相比之下，在块体AlN或SiC材料中，类似的温降需跨越数十至数百纳米尺度。这一结果明确表明，该界面热阻高达体材料热阻的30–70倍，凸显了界面热阻在纳米器件中的主导作用。此外，团队在界面附近约3纳米区域内观测到声子布居偏离玻色-爱因斯坦分布的非平衡态行为。通过对比正、反向热流条件下局域界面声子模式的不对称占据情况，他们揭示了界面模式在非弹性声子输运中的关键作用，为理解半导体界面热输运的微观机制提供了新视角。

这项研究首次实现了热输运及声子跨界面动力学行为的亚纳米分辨率可视化，将热管理研究推进至此前难以触及的亚纳米关键尺度。其成果有望为芯片热界面设计、热失效分析以及新一代半导体器件中的热管理策略提供重要理论依据与技术支撑。正如《自然》（Nature）杂志资深编辑Stuart Thomas在所附研究简报中所评价：“纳米尺度温度测量本身已极具挑战，而这项工作不仅实现了这一目标，还使我们能够在极小尺度下理解热流如何穿越界面，以及声子相互作用在其中介导的机制——对于热管理至关重要的高功率电子器件而言，这一进展具有重要意义。”

该研究成果以《利用电子显微技术探测跨界面声子输运动力学》（Probing phonon transport dynamics across an interface by electron microscopy）为题，于2025年6月11日在《自然》（Nature）上发表。北京大学博士生刘法辰与毛瑞麟为共同第一作者，高鹏教授为通讯作者。同期《自然》还发布了题为《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，旨在为更广泛的科研群体提供易于理解的成果解读，并包含作者、审稿人与编辑的深入观点。

2 主要作者简介

共同第一作者

刘法辰，博士，北京市优秀毕业生，北京大学优秀博士论文获得者。

主要从事半导体界面和石墨烯纳米材料的电镜表征和原位热输运研究，在宽禁带半导体界面的原位热输运和声子物性测量领域取得创新性研究成果，以第一作者在Nature等刊物上发表SCI论文3篇，参与了多个研究项目。

共同第一作者

毛瑞麟，北京大学物理学院在读博士研究生。于2022年获哈尔滨工业大学材料物理工学学士学位。

以第一作者以及共同第一作者发表SCI论文三篇，目前主要研究方向为使用电子显微学方法研究材料中的热输运行为。

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。

获得中国科学院物理研究所凝聚态物理学博士学位，曾在美国密歇根大学、美国布鲁克海文国家实验室、日本东京大学从事研究工作。从事原子尺度界面科学研究，多次入选科睿唯安、爱思唯尔高被引科学家。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09108-6