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来源：材料科学与工程
改善日益微型化的微电子器件的散热是一个严峻的挑战，因为声子在纳米结构表面频繁的散射显著地降低了热传导。然而，如果声子与光子结合形成混合的表面准粒子，称为表面声子-极化子(SPhPs)，那么表面可能成为一个额外的热耗散通道。
近日，来自日本东京大学的Y. Wu & M. Nomura等研究者通过实验证明了在SiN纳米膜表面SPhPs的形成和随后增强的热传导。相关论文以题为“Enhanced thermal conduction by surface phonon-polaritons”发表在Science Advances上。
声子是晶格振动的准粒子，是介质材料中的主要热载流子。根据它们的色散关系，声子被称为声学声子或光学声子。光学声子对热传导的贡献通常被认为是可以忽略的，因为与声学声子相比，它们的群速度较低。介电膜的热导率通常是由声学声子驱动的，并随着表面散射事件频率的增加而随膜厚度的增加而降低。鉴于不断增加的操作速率的设备的小型化，这种热导率的降低导致了过热、低可靠性和电子元件的寿命缩短。然而，虽然声学声子的热运输可能处于极限，但光学声子与表面电磁波的耦合可能增强热耗散。
在过去的十年中，由于表面效应在高表面体积比的纳米结构中占主导地位，人们对这些表面波的研究工作做了大量的工作。某些类型的表面电磁波甚至可以携带热量，从而提高纳米器件的热性能和稳定性。其中一种表面波是表面声子-极化子(SPhPs)，它是光学声子和表面电磁波的杂化。SPhPs本质上是沿极性介质膜表面传播的倏逝波。氮化物中的SPhPs，特别是氮化硼等超薄氮化物，已被开发用于引导红外光进行光学调制和光探测。SPhPs的传播长度在几百微米范围内测量，这比典型的声子平均自由程长几个数量级。理论模型预测，如此长的传播长度使SPhPs在薄膜厚度小于100 nm时能够比声子传导多几倍的热能。最近的SiO2膜实验提供了SPhP在有限温度范围内对热传输的贡献的一些线索，报告的结果并不是完全结论性的，因为厚度和温度的依赖性与体积SiO2中相应的结果几乎没有区别，特别是由于存在较大的误差条。
在这里，研究者使用不同的方法，并关注在一个较宽的温度范围内的温度变化，而不是厚度依赖性。研究者实验的本质是在不同温度下对同一样品进行测量。测量结果表明，当温度从300到800 K时，厚度小于50纳米的薄膜的平面内热导率增加一倍，而较厚的薄膜则呈现单调下降。理论分析表明，这些厚度和温度的依赖关系是SPhP对热传导贡献的指纹图谱。在包括微电子和硅光子学在内的各种领域中，SPhPs所演示的热输运可以作为以前未识别的热耗散通道。
图1 实验设置方案及一种铝垫的SiN膜。
图2 SiN膜的平面内热导率与温度的关系。
图3 SiN膜SPhP热导率的理论估算。
综上所述，研究者实验测量了不同温度下无定形SiN膜的平面内导热系数。在300-800 K范围内，当薄膜厚度小于100nm时，热导率显著增加。研究者将这种增强归因于SPhPs沿膜界面的传播。
来源：mse_material 材料科学与工程
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