Advanced Science:声子传热新进展:首次实现光学声子和声学声子的温度测量

随着电子器件的小型化和高功率发展,微纳尺度下的强化传热问题日趋重要。然而,由于尺度的减小,纳米尺度下的热物性测量尤为复杂。例如,在激光加热下,材料的声子传热过程包括光子、电子和声子耦合等复杂物理过程。在一些应用环境中,光学声子与声学声子会存在非平衡效应,继而存在一定的温度差异。这些复杂物理问题的研究一直受限于测量方法而难以突破,也成为微纳尺度传热研究的重点和难点问题。

近日,爱荷华州立大学Xinwei Wang(王信伟)教授课题组联合天津大学王日东副教授,清华大学张兴教授,和武汉大学岳亚楠教授,在传统时域拉曼光谱(TD Raman)基础上进行创新,开发出多能态输运拉曼热测量技术(Energy Transport State-resolved Raman, ET-Raman),首次实现了材料中光学声子与声学声子的温度测量,并进一步测得了两种声子之间的能量耦合因子。文章名为“Distinguish Optical and Acoustic Phonon Temperatures and Their Energy Coupling Factor under Photon Excitation in nm 2D Materials”发表在Advanced Science(DOI:10.1002/advs.202000097)杂志上。论文第一作者为王教授课题组博士生:王日东,毕业后回国工作,现为天津大学副教授,文章合作者还包括深圳大学谢杨苏助理教授等人。

【要点解析】

由于新型二维材料具有独特的导热特性,在微纳器件中有广泛的应用前景,研究分别选用二硫化钼(MoS2)、二硒化钼(MoSe2)和石墨烯进行验证。在一定波长的激光加热下,激光光子的能量被材料中的电子吸收,电子由低能级向高能级跃迁。在电子返回低能级的过程中,将能量传递给光学声子。能量由光学声子传至声学声子后,再以热传导的方式扩散至加热区域外。通过光热拉曼法测得的温度变化包含两部分:一是光学声子与声学声子的温度差(与加热区尺寸平方成反比),二是声学声子的温度,该项与材料的导热特性密切相关。项目组基于相同波长下的纳米脉冲激光和连续激光,设计实验装置,分别对材料开展瞬态和稳态加热。随着加热区域扩大,光学声子与声学声子之间的温差在逐渐减小,通过ET-Raman方法测得的导热系数也将趋近于真实值。通过差别性分析,研究光学声子与声学声子的能量耦合特性。文章中获得的石墨烯中纵波和和横波的光学声子与声学声子的能量耦合系数(0.549×1016 W∙m-3∙K-1)与理论预测值(0.41×1016 W∙m-3∙K-1)吻合较好。同时获得了MoS2和MoSe2中在连续激光和纳秒脉冲激光加热下的光学声子和声学声子的能量耦合系数,以及这些系数和加热状态的相关性。

该研究开发的ET-Raman的方法首次区分和获得了材料中光学声子和声学声子的温度演变,获得了两种声子的能量耦合因子。同时精确测量了在没有光学声子-声学声子温差影响极限下的材料本征导热系数。该研究是对拉曼热测量技术的进一步发展和推进。为更加深入地研究二维纳米材料中的能量传递机理,实现二维纳米材料导热特性的高精度物理理解和调控奠定了基础。研究得到了美国国家科学基金,中国科技部战略性国际科技创新合作重点专项,中国国家自然科学基金以及深圳高层次人才科研启动项目的支持。通讯作者是美国Iowa State University的Xinwei Wang教授、清华大学张兴教授和武汉大学岳亚楠教授。在研究过程中,普渡大学阮修林教授为研究提供了宝贵的建议。