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iNature · 公众号 · · 2024-05-16 00:14

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纳米级结构可以产生极端应变，从而实现前所未有的材料特性，例如定制电子带隙、提高超导温度和增强电催化活性。 虽然已知均匀应变对热流的影响有限，但由于界面和缺陷的共存，非均匀应变的影响仍然难以捉摸。

2024年5月15日，北京大学高鹏、杨林及杜进隆共同通讯在 Nature 在线发表题为“ Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain ”的研究论文，该研究通过在定制的微器件上弯曲单个硅纳米带来引入非均匀应变，并测量其对热输运的影响，同时以亚纳米分辨率表征应变相关的振动谱，从而解决了这一空白。

研究结果表明，每纳米0.112%的应变梯度可以导致热导率急剧下降34±5%，与均匀应变下测量的几乎恒定值形成鲜明对比。进一步利用电子能量损失谱绘制了局部晶格振动谱，揭示了声子沿应变梯度的数百万电子伏特的峰值位移。 第一性原理计算证明，这种独特的声子谱展宽效应增强了声子散射，极大地阻碍了热输运。

由于纳米材料的机械强度要高得多，因此可以施加比传统材料更高的应变来调整其物理化学性质。在此基础上，可以合理地设计出一系列先进的功能，从晶体管、太阳能电池、光电探测器到电池、超导体和电催化剂。 尽管对应变工程电子特性进行了广泛的研究，但复杂的声子输运机制在非均匀应变下仍未得到充分研究。 考虑到精确的热管理是器件效率和寿命的关键瓶颈，这一点尤其令人沮丧。

引入应变的一种普遍方法是在晶格不匹配的衬底上生长薄外延层，例如Si on SiGe，并且研究了通过各种外延层的热传输。然而，尽管已经观察到低导热系数(κ)值(甚至低于其合金对应值)，但通过外延层的应变梯度效应在实验上很难与界面声子边界散射效应解耦，这对得出超低κ的物理来源的可靠结论提出了艰巨的挑战。同样，尽管位错和空位可以在各种功能器件中散射声子，但将它们的影响与这些缺陷引入的远程应变场的影响分离开来仍然是一个艰巨的挑战，这些缺陷也可能通过增加振动非调和性来阻碍热传递。 因此，关于这些功能材料中不寻常的和有点令人困惑的热行为的原因的问题一直没有得到解答。

Si中非均匀应变对热输运的显著抑制（图源自 Nature ）

弹性应变工程通常依赖于由纳米级变形产生的高度不均匀应力(例如，外延层生长、缺陷和空缺或光刻图纹)，迄今为止，大多数关于应变对热传输影响的研究都集中在均匀应力的简化条件下的材料。在实验上量化非均匀应变对热输运的影响的主要挑战包括只施加应力，不引入混杂因素(如界面和缺陷)，以及将热测量与亚纳米分辨率声子光谱表征相结合。

通过开发从微米到原子尺度的实验表征工具，并结合从头算理论模型，该研究为长期存在的关于非均匀应变对声子输运的影响的难题提供了关键的一块。因此，该研究不仅明确揭示了非均匀应变对热输运的显著影响，而且为应变工程功能器件的创新设计提供了见解。例如，应变梯度诱导的晶格κ降低与先前证明的载流子迁移率增强之间的协同相互作用为开发高性能热电能量转换器提供了一种新的策略。此外，这种程度的κ调制可以通过弹性调谐纳米带阵列中的非均匀应变来实现功能热开关，从而实现动态热通量控制。 该研究揭示了长期存在的非均匀应变下晶格动力学难题的一个关键部分，这在均匀应变下是不存在的，并且逃避了传统的理解。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07390-4

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