材料的導(dǎo)熱性能顯著影響器件的散熱問題和實(shí)際使用壽命。對(duì)于非金屬材料，聲子被認(rèn)為是熱傳導(dǎo)的主要載體。一般認(rèn)為缺陷結(jié)構(gòu)的引入會(huì)阻礙聲子的傳播，造成材料熱導(dǎo)率的降低。然而，聲子和材料內(nèi)部缺陷的具體相互作用機(jī)制還并不明確。具體來(lái)說，缺陷結(jié)構(gòu)如何影響局域聲子色散關(guān)系E(q)和聲子散射的問題還沒有解決。受限于測(cè)試方法的空間分辨率，此前實(shí)驗(yàn)上無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)單缺陷的導(dǎo)熱測(cè)量和聲子譜測(cè)量。這都限制了對(duì)聲子-缺陷作用機(jī)制的理解和預(yù)測(cè)。基于此，我們十分需要發(fā)展新的具有高空間分辨、高能量分辨、以及高角（動(dòng)量）分辨能力的聲子探測(cè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)單個(gè)缺陷聲子譜的測(cè)定。

2014年開始，Nion R&D公司制造的Nion UltraSTEM掃描投射電子顯微鏡（scanning transmission electron microscope, STEM）裝備了新型的能量單色器（monochromator）和電子損失譜儀，并且實(shí)現(xiàn)了10 meV以下的能量分辨率。這種突破性的能量分辨能力打開了利用透射電子顯微鏡觀測(cè)材料聲子譜的新方向。美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校潘曉晴教授課題組長(zhǎng)期致力于研究開發(fā)新型電子顯微鏡成像和譜學(xué)技術(shù)。利用Nion UltraSTEM的高能量分辨電子能量損失譜（electron energy-loss microscopy, EELS），該課題組進(jìn)一步發(fā)展了譜學(xué)方法，兼顧空間分辨、動(dòng)量分辨和能量分辨能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)于單個(gè)面缺陷的聲子譜探測(cè)，并且通過改變動(dòng)量空間位置獲得了在布里淵區(qū)邊界的缺陷聲子態(tài)密度。

今日，美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校材料科學(xué)與工程系潘曉晴教授課題組和物理天文系武汝前教授課題組合作在Nature發(fā)表了“Single-defect phonons imaged by electron microscopy”一文。該工作利用空間分辨、動(dòng)量分辨和能量分辨的電子能量損失譜研究材料中單個(gè)缺陷的局域缺陷聲子譜。該研究發(fā)現(xiàn)在碳化硅材料中廣泛存在的層錯(cuò)缺陷會(huì)形成缺陷聲子態(tài)，將會(huì)造成橫波聲學(xué)支（transverse acoustic phonon, TA）能量降低3.8 meV，同時(shí)對(duì)比塊體本征聲子模，其態(tài)密度有顯著的增強(qiáng)。該結(jié)果可以幫助解釋引入層錯(cuò)降低碳化硅導(dǎo)熱系數(shù)的機(jī)理。該工作對(duì)于理解聲子和材料內(nèi)部缺陷的相互作用關(guān)系具有指導(dǎo)作用，以此為范本可以展開一系列關(guān)于材料中不同缺陷結(jié)構(gòu)影響聲子散射的基礎(chǔ)理論研究。

該工作中，研究者們選取了3C相（立方相）碳化硅中廣泛存在的層錯(cuò)結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。通過旋轉(zhuǎn)樣品，電子顯微鏡可以從側(cè)面觀測(cè)碳化硅的層錯(cuò)缺陷，從而在空間上區(qū)分開層錯(cuò)和周圍無(wú)缺陷的塊體區(qū)域。圖一c為在高空間分辨率的條件下獲得的原子分辨的層錯(cuò)原子結(jié)構(gòu)圖。該層錯(cuò)缺陷寬度僅為0.25 nm。

圖一. 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇以及實(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)空間圖像和動(dòng)量空間的衍射圖。 研究者通過改變電子束的會(huì)聚角可以連續(xù)可控地改變空間分辨率、動(dòng)量分辨率和能量分辨率，進(jìn)而選擇性地獲得高空間分辨圖像和角分辨的電子能量損失譜。在高空間分辨模式下，圖二a對(duì)比了缺陷區(qū)域和塊體區(qū)域的聲子譜。我們可以發(fā)現(xiàn)缺陷處的聲子譜在30-50 meV對(duì)應(yīng)的TA模區(qū)域有明顯的信號(hào)增強(qiáng)。

圖二. 不同實(shí)驗(yàn)條件下利用EELS測(cè)得的聲子譜以及相應(yīng)的理論模擬結(jié)果。 這種增強(qiáng)也反映在二維聲子信號(hào)強(qiáng)度圖像上（圖三）。受限于空間分辨和動(dòng)量分辨的相互制約，在高空間分辨條件下，獲得的聲子譜來(lái)自整個(gè)布里淵區(qū)（Brillouin Zone）所有聲子支的貢獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)譜可以近似類比于計(jì)算得到的全聲子態(tài)密度（total phonon density of states）。但是我們無(wú)法從這種實(shí)驗(yàn)譜上獲得角分辨的聲子信息，無(wú)法進(jìn)一步確定缺陷引起的聲子譜改變的根源。

圖三. 空間分辨的聲子信號(hào)強(qiáng)度圖。在層錯(cuò)區(qū)域，TA模的信號(hào)強(qiáng)度顯著加強(qiáng)。 為了進(jìn)一步區(qū)分不同動(dòng)量空間下的聲子譜，研究者采用了更小的會(huì)聚角以獲得足夠的角分辨率。該工作發(fā)現(xiàn)在布里淵區(qū)邊界的X點(diǎn)，層錯(cuò)處的TA模強(qiáng)度顯著增加，而其LA模（longitudinal acoustic phonon）強(qiáng)度顯著降低（圖四）。同時(shí)，利用高斯擬合實(shí)驗(yàn)譜線發(fā)現(xiàn)，層錯(cuò)處的TA模最高點(diǎn)向低能移動(dòng)了3.8 meV。層錯(cuò)處的聲學(xué)支聲子模變化行為都符合第一性原理計(jì)算的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)譜中發(fā)現(xiàn)的能量紅移和強(qiáng)度改變都證明了在層錯(cuò)處存在缺陷聲子態(tài)。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)缺陷聲子態(tài)并不僅僅局限在0.25 nm寬的層錯(cuò)處。實(shí)空間分布結(jié)果顯示，缺陷聲子態(tài)存在于層錯(cuò)附近6-7 nm寬的區(qū)域內(nèi)。

圖四. 角分辨電子能量損失譜獲得的在布里淵區(qū)邊界的聲子譜和缺陷聲子態(tài)的空間分布。

缺陷聲子態(tài)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)于理解和調(diào)控材料導(dǎo)熱性能具有重要意義。首先，缺陷聲子態(tài)的能量有別于塊體材料的聲子支，這會(huì)一定程度阻斷塊體中聲子的傳導(dǎo)。其次，缺陷聲子態(tài)的色散關(guān)系更加平整，對(duì)應(yīng)的聲子群速度（group velocity）會(huì)顯著降低，這也會(huì)減小材料整體的導(dǎo)熱系數(shù)。此外，在缺陷處形成了更多的聲子支，這會(huì)增加聲子-聲子作用導(dǎo)致的聲子散射概率，從而降低材料的導(dǎo)熱速率。最后，該研究發(fā)現(xiàn)缺陷聲子態(tài)影響的區(qū)域顯著大于缺陷的實(shí)際尺寸，這也將有助于修正理論預(yù)測(cè)的熱導(dǎo)率模型。 碳化硅材料廣泛應(yīng)用于各類半導(dǎo)體器件中，尤其是功率器件中。因此提高其導(dǎo)熱率將幫助提升器件的整體散熱能力。在該研究的基礎(chǔ)上，我們可以進(jìn)一步通過調(diào)控材料內(nèi)部的缺陷種類和分布，更有針對(duì)性地改進(jìn)材料的導(dǎo)熱、散熱性能。該研究同時(shí)提出了一個(gè)具有普適性的研究材料內(nèi)缺陷-聲子相互作用的方法。透射電子顯微鏡和高能量分辨的電子能量損失譜儀將幫助我們更加全面系統(tǒng)地研究各種缺陷對(duì)于材料導(dǎo)熱性能的影響。通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，研究者可以可控地改變?cè)O(shè)備的空間分辨率、動(dòng)量分辨和能量分辨率。在此基礎(chǔ)上，更多的缺陷結(jié)構(gòu)可以通過具有高空間、高動(dòng)量和高能量分辨能力的電子顯微譜學(xué)方法進(jìn)行研究。 該文章通訊作者為美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校（University of California, Irvine）潘曉晴（Xiaoqing Pan）教授和武汝前（Ruqian Wu）教授，第一作者為博士后閆星旭（Xingxu Yan）。計(jì)算部分主要由加州大學(xué)爾灣分校物理天文系的武汝前教授和其博士后劉成延博士（現(xiàn)工作于河南大學(xué)材料學(xué)院）完成。該工作使用了爾灣材料研究所（Irvine Materials Research Institute）的先進(jìn)電鏡設(shè)備。合作單位還包括Nion R&D公司（Ondrej L. Krivanek等人）和Cornell University（Darrell G. Schlom）。

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