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納米級結構，可以產生極端應變，從而實現前所未有的材料特性，例如定制電子帶隙，提高超導溫度和增強電催化活性。

雖然已知均勻應變對熱流的影響有限，但由于界面和缺陷的共存，非均勻應變的影響仍然難以捉摸。

在此，來自北京大學的楊林&杜進隆&高鵬等研究者通過在定制的微器件上彎曲單個硅納米帶來引入非均勻應變，并測量其對熱輸運的影響，同時以亞納米分辨率表征應變相關的振動譜，從而填補了這一研究空白。相關論文以題為“Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain”于2024年05月15日發表在Nature上。

在材料力學領域有一個口頭禪，“小即是強”，這門科學起源于20世紀50年代，并在今天蓬勃發展。由于納米材料的機械強度要高得多，因此可以應用比傳統材料更高的應變來調整其物理化學性質。

在此基礎上，研究者可以合理地設計出一系列先進的功能，從晶體管、太陽能電池、光電探測器到電池、超導體和電催化劑。盡管對應變工程電子特性進行了廣泛的研究，但受非均勻應變影響的復雜聲子輸運機制仍未得到很大程度的探索?？紤]到精確的熱管理是器件效率和壽命的關鍵瓶頸，這一點尤其令人沮喪。

一種常見的引入應變的方法是，在晶格不匹配的襯底上生長薄外延層，例如Si在SiGe上，并且研究了通過各種外延層的熱傳輸。然而，盡管已經觀察到低導熱系數(κ)值-甚至低于其合金的相應值，但通過外延層的應變梯度效應在實驗上很難與界面聲子邊界散射效應解耦，這對得出超低κ的物理起源的可靠結論提出了艱巨的挑戰。

同樣，盡管位錯和空位可以在各種功能器件中散射聲子，但將它們的影響與這些缺陷引入的遠程應變場的影響分離開來仍然是一個艱巨的挑戰，這些缺陷也可能通過增加振動非調和性來阻礙熱傳輸。因此，關于這些功能材料中不尋常的和有點令人困惑的熱行為的原因的問題，一直沒有得到解答。

彈性應變工程，通常依賴于納米級變形產生的高度不均勻應力(例如，外延層生長，缺陷和空位，或光刻圖圖化)，迄今為止，大多數關于應變對熱傳輸影響的研究都集中在均勻應力的簡化條件下的材料上。在實驗上量化非均勻應變對熱輸運的影響的主要挑戰包括只施加應力，不引入混雜因素(如界面和缺陷)，以及將熱測量與亞納米分辨率聲子光譜表征相結合。

在這里，研究者通過在定制的微器件上彎曲單個硅納米帶(SiNRs)來誘導非均勻應變，并測量其對熱輸運的影響，同時在亞納米分辨率的掃描透射電鏡(STEM)中使用電子能量損失譜(EELS)表征局部振動譜。

研究結果表明，每納米0.112%的應變梯度可導致κ急劇降低34±5%，這是先前在均勻應變下證明的κ調制的3倍以上(見圖1a摘要)。利用在像差校正的STEM中配備單色儀的EELS的最新進展，研究者直接測量了局部聲子模式，并將它們與納米尺度的應變梯度相關聯。

結果表明，彎曲引起的晶格應變梯度顯著改變了聲子的振動態，拓寬了聲子譜。結合從頭算理論模型，這種展寬效應增強了聲子散射，縮短了聲子壽命，最終抑制了κ。

圖1 Si中非均勻應變對熱輸運的顯著抑制。

圖2 彎曲Si納米帶的溫度依賴性κ。

圖3 空間解析應變調制聲子模式。

圖4 非均勻應變誘導聲子譜展寬的建模。

綜上所述，通過開發從微米到原子尺度的實驗表征工具，并結合從頭算理論模型，研究者的研究為長期存在的關于非均勻應變對聲子輸運的影響的難題提供了關鍵的一塊。

因此，本研究不僅明確揭示了非均勻應變對熱輸運的顯著影響，而且為應變工程功能器件的創新設計提供了見解。例如，應變梯度誘導的晶格κ降低與先前證明的載流子遷移率增強之間的協同相互作用為開發高性能熱電能量轉換器提供了一種新的策略。

此外，這種程度的κ調制可以通過彈性調諧納米帶陣列中的非均勻應變來實現功能熱開關，從而實現動態熱通量控制。

【參考文獻】

Yang, L., Yue, S., Tao, Y. et al. Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain. Nature (2024).

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