科学前沿 | 表面声子极化激元增强热传导

1. 摘要

一直以来提升小型化器件的散热能力都是一个挑战，由于声子在纳米结构中的频繁散射，导致纳米结构中的导热性明显降低。然而，如果光学声子与光子耦合形成一种准粒子（表面声子极化激元），这样便会提供一个新的散热通道。最近，研究人员证明SiN纳米膜表面支持的表面声子极化激元可以增强热传导；他们的实验结果显示：当温度由300K升到800K，厚度小于50nm的纳米膜的导热性能提升约一倍；而较厚的纳米膜的导热性能随温度升高呈下降趋势^[1]。理论分析结果表明纳米膜厚度与温度的依赖关系是由于表面声子极化激元对热传导的贡献。表面声子极化激元的热传导为微电子、硅基光电子等集成系统的应用领域提供了一个新的散热通道。

2. 背景介绍

声子是一种表现为晶格振动准粒子，它是介质材料中的主要热载流子。由于基本 的色散关系，声子有被称为光学声子和声学声子。相比于声学声子，由于光学声子很低的群速度，光学声子的热传导一般可以忽略不计。介质膜热导体主要依靠声学声子导热，由于表面散射，较厚薄膜的导热能力一般比较差。目前，研究表明单纯通过声学声子导热是存在一个极限的，声子与表面电磁波的耦合将会增强散热。理论计算结果显示在100nm厚度以下的纳米膜，表面声子极化激元的传播长度携带的热量是声子的数倍。
在过去的很长一段时间，大量的研究工作基于支持表面波的具有表面效应的纳米结构。在具有高的表面体积比的结构表面的某种表面波可以携带能量，从而提高纳米级设备的热性能和稳定性，其中一种表面波是表面声子极化激元，它是光学声子与电磁波的耦合。最近的一些实验表明在一定温度范围内，SiO纳米膜表面的声子极化激元对于热传导有一定影响，但是该研究的结论并不是完全确定的，因为对于一个样品温度与厚度的关系有很大的不同，存在很大的实验误差。因此，研究人员使用不同的方法将目光主要放在温度的变化，而不是厚度。这个研究使他们得出有利的证据去证明热传导性的增加是由于表面声子极化激元。

3.图示结果

Fig.1 (a)连续的探针激光束和脉冲泵浦激光束通过透镜同时会聚到Al盘上；(b)Si基底上的SiN膜，放置在可以控制温度的腔室中。(c)泵浦激光束周期性地加热Al盘，利用探针激光束连续地记录反射强度（反射强度间接地反映了材料的导热信息）。(d)SiN膜的AFM表面轮廓图，粗糙度小于1nm.

Fig.2 不同厚度的纳米膜的导热性随温度变化。

Fig.3 (a)SiN材料的介电常数；(b)不同厚度的SiN膜下表面声子极化激元的传播长度；(c)不同温度下SiN膜上表面声子极化激元的导热性。

研究结果表明声子热传导的衰减可以通过表面声子极化激元的传热来补偿，甚至可以提高两倍的导热能力。该工作揭示了一条介质传热的新通道，为提高微电子器件的散热以及硅光子学中的效率奠定了基础。

4.参考文献

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1. Y. Wu, J. Ordonez-Miranda, S. Gluchko, R. Anufriev, D. S. Meneses, L. Del Campo, S. Volz, and M. Nomura, Sci Adv 6 (2020). ↩