中国科学家首次利用电子束实现原子级热流监测

研究团队设计定制化热传输装置，成功实现可控热流观测。

长期以来，科学界已知声子（原子振动）在固体中传递热能。但当两种材料（如计算机芯片组件）接触时，这些振动波往往无法顺畅穿越界面——它们会在边界处散射或反弹，形成"界面热阻"。这种阻力不仅阻碍热流顺畅传递，更会严重制约电子设备性能。

由于相关温差仅发生在数纳米尺度（温差值极小且远超传统技术检测极限），界面热阻测量始终是重大挑战。这在当今纳米级元件密集排列的技术领域尤为严峻：微米级热流扰动即可导致设备过热与能效下降。而北京大学研究团队正为这一难题提供突破性解决方案。

原子尺度的热能图谱

该团队成功捕获了热能在材料界面原子尺度的传递影像。这项曾被视作不可能实现的突破，将为多领域热管理策略开发提供关键支撑。

电子束化身热流追踪器

研究团队创新性地改造电子显微技术：通过分析电子束与振动原子相互作用时的能量损失速率，直接观测界面处声子（即热能载体）的行为特征。

在定制化热传输装置中，研究人员在氮化铝（AlN）与碳化硅（SiC）两种高功率电子器件常用材料间建立可控热流，施加180开尔文/微米（K/μm）的温度梯度。经改进的电子散射技术最终实现了亚纳米级温差测量。

颠覆性发现

测量结果揭示惊人现象：在界面处仅2纳米范围内出现10-20K的温升突变。相较而言，同等温降在纯氮化铝或碳化硅内部需跨越数十至数百纳米距离。这表明界面热阻高达材料本体30-70倍，充分印证界面层对热传递的阻断效应。

研究还发现：界面附近3纳米区域内声子处于非平衡态（偏离稳定系统中的均匀分布），且不遵循常规玻色-爱因斯坦分布（该定律描述特定温度下粒子间的能量分配规律）。通过逆转热流方向分析不同声子行为，证实热能不仅在界面减速，更发生散射与形态重构。

原子级热测量意义重大

该实验不仅开创原子级热流直接观测新方法，更为工程师与物理学家优化微电子界面设计提供强大工具。成果将助力开发高效芯片、防止过热故障、提升紧凑型电子设备性能，并为量子器件、电池及纳米传感器的热管理提供新视角。

当前方法聚焦于精密制备的界面体系，未来需向复杂实际系统拓展。研究团队计划延伸该技术至更多材料体系，探究原子结构缺陷及变化对热流的深层影响。

本研究成果已发表于《自然》期刊。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！