芯片内的原子级热流“可视化”成为现实

本报记者 晋浩天

想象一下，如何给芯片内部原子级别的热流拍张“高清照片”？这看似科幻的挑战，已被中国科学家变为现实。北京大学高鹏教授团队日前在国际学术期刊《自然》发表突破性成果，他们利用一种基于声子输运可视化的电子显微技术，首次实现了亚纳米尺度的热流“可视化”，为芯片散热这一世纪难题带来了新曙光。

在芯片这个微缩宇宙里，热量是性能的隐形杀手。随着芯片工艺逼近物理极限，纳米级制程、复杂结构导致芯片内部界面数量激增。声子，这一晶格振动的能量量子，在跨越这些微小界面时遭遇重重阻碍，形成顽固的界面热阻，如同无形的堤坝阻挡热流，成为高端芯片性能提升的致命瓶颈。

然而，看清这些原子级的热流并非易事。传统热测量技术面对亚10纳米量级的先进芯片结构，分辨率严重不足，更无力探测深埋材料内部的界面。高鹏团队另辟蹊径，将目光投向了电子显微镜中的快电子非弹性散射技术。

他们如同在微观世界搭建精密实验室：在电子显微镜内设计专用原位热输运装置，在关键的宽禁带半导体氮化铝—碳化硅异质结界面上“雕刻”出定向热流通道，构建出稳定的温度梯度。通过捕捉电子与声子相互作用的独特“指纹”——非弹性散射声子谱，团队实现了史无前例的突破：亚纳米级温度场成像。

实验揭示的微观热图令人惊叹：在氮化铝—碳化硅界面处，仅仅2纳米的微小跨度内，温度竟骤降10至20摄氏度!这相当于在完美晶体材料中跨越数百纳米才能观察到的温差。计算表明，该界面的热阻高达完美晶体材料的30至70倍，清晰印证了微小界面正是芯片内部热阻的“主战场”。

此外，团队还首次捕捉到热流下声子的“非平衡态”：在界面附近约3纳米的狭窄区域，声子分布明显偏离了平衡状态。通过精巧地比较正、反热流方向下声子态的不对称演化，他们揭示了隐藏其中的非弹性声子输运机制——界面局域模式在其中扮演了关键角色。这为从原子层面设计低热阻界面提供了珍贵的理论蓝图。

“在纳米尺度测温已是巨大挑战，而本文更进一步，揭示了极小尺度下热流如何穿越界面，以及声子如何‘穿针引线’般调控这一过程。”《自然》资深编辑高度评价，“这些材料对高功率电子设备意义重大——在那里，热管理是生死攸关的技术。”

“这套技术成功测绘了原子级薄层界面的温度分布，直指数十年前的科学难题——能否在微观尺度下看清界面附近的温度？”高鹏强调，“它不仅能实现亚纳米分辨的热成像，更能追踪搬运热量的声子的动态输送过程，为散热材料、热电转换乃至下一代芯片中的界面热管理研究开启全新维度。”

高鹏进一步说，当电子显微镜化身为洞察原子热浪的“超级温度计”，人类对微观世界的热操控正迎来前所未有的清晰图景。“这不仅关乎你手中更强大的手机芯片，更预示着能源利用效率跨越式提升的未来。”