9159金沙申请大厅电子显微镜实验室、量子材料科学中心高鹏教授，北京大学电子显微镜实验室杜进隆高级工程师与合作者利用热输运测量、扫描透射电镜的电子能量损失谱测量、第一性原理计算等，揭示了非均匀应变对单晶硅纳米带热输运性能的影响。研究表明，通过在单晶硅中引入非均匀应变，可以显著地抑制硅纳米带的热传导。电子能量损失谱测量发现决定硅热输运物理性质的声子光学支和声学支在非均匀梯度应变调控下发生移动，引起了声子色散展宽，增强了三声子散射作用，从而显著抑制了热传导。该研究工作提出了一种利用非均匀应变来调控热传导的新方式，为设计更好的热电材料、热开关器件、芯片热管理技术等提供了新的思路。电镜谱学技术为纳米埃米尺度上的热输运研究提供了新手段。相关成果以“非均匀应力对硅纳米带导热的反常抑制作用”（Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain）为题，于2024年5月16日发表在《自然》（Nature）。

作为晶格振动的元激发，声子是决定物质热导率的关键因素。晶格变化对应的应变效应，必然影响局域的声子模式，从而改变热传导性质。在半导体器件工艺中，广泛涉及到在晶格不匹配的衬底上生长外延薄膜如Si/SiGe等，从而不可能避免地会引入应变进一步影响局域的热导率。事实上，有关应变对材料声子结构和热导率影响的研究，目前主要集中在均匀应变的简化条件下的体系中，而关于非均匀应变对材料声子结构和热导率的影响则鲜有报道。这一方面是由于局域的声子本身难以测量，另外一方面很难在实验上将局域的应变梯度效应和元素梯度效应进行解耦。因此，对非均匀应变如何影响纳米材料、芯片界面等的热导知之甚少。

为了揭示非均匀应变对材料声子结构和热导率的影响，联合研究团队通过在自主设计的微器件上制备弯曲的单晶硅纳米带来引入非均匀应变并测量了其对硅纳米带热输运性能的影响。结果表明，每纳米0.112%的应变梯度可导致单晶硅热导率急剧降低34±5%，这一数值是均匀应变下的3倍以上。利用扫描透射电子显微镜电子能量损失谱(STEM-EELS)在纳米尺度上对硅纳米带声子结构进行测量，结果表明弯曲单晶硅纳米带中压应力引起横向光学(TO)声子模式蓝移，拉应力引起其红移，而横向声学(TA)声子模式则表现出相反的趋势，从而引起整个声子谱的展宽。结合第一性原理计算，结果表明，弯曲引起的晶格应变梯度的确显著改变了声子的振动态造成声子色散展宽。这种展宽效应增强了多声子散射，缩短了声子寿命，最终抑制了单晶硅纳米带热导率。

这项研究表明非均匀应变可为纳米材料和界面的热传导性能的调控提供新的自由度，该发现对于纳米材料、界面器件的热管理，以及热电材料、热开关器件的设计都具有重要意义。具有原子分辨的电镜非弹性散射谱学技术为纳米埃米尺度的热输运行为研究提供了新的手段。

图1. 非均匀应变单晶硅纳米带声子结构的纳米尺度测量。（a）扫描透射电镜的电子能量损失谱（STEM-EELS）光路示意图。（b-c）带有扭结的弯曲硅纳米带的STEM图像和EELS测量区域的放大STEM图像；（d）沿应变梯度不同位置(P1 ~ P5)的横向声学(TA)和横向光学(TO)声子模式的EELS谱图，其中横向声学模式表现出约2.2 meV的蓝移，而横向光学模式表现出约6.0 meV的红移。弹性应变取值范围为−3.14% ~ 3.26%。通过高斯拟合提取峰值位置。（e）无扭结弯曲硅纳米带的STEM图像。黄色矩形表示EELS信号采集区域，通过将三维数据集的每个列谱沿轴向(垂直于应变梯度)求和来提高信噪比。（f）横向声模和横向光模沿电子束移位方向的振动谱图。（g）图e中标记区域沿应变梯度的EELS谱线。

北京大学工学院先进制造与机器人系杨林研究员、西安交通大学航空航天学院多尺度力学与医学实验室，机械结构强度与振动国家重点实验室岳圣瀛教授为论文共同第一作者，杨林、杜进隆、高鹏为论文通讯作者。其他合作者包括东南大学陈云飞课题组、北京大学戴兆贺课题组、北京大学宋柏课题组和美国范德堡大学Deyu Li课题组。

上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京大学电子显微镜实验室、量子物质科学协同创新中心、科学探索奖等支持。

论文原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07390-4