填补材料力学领域，北京大学最新Nature
在材料力学领域有一句口头禅，“越小越强”，这门科学兴起于20世纪50年代，并在当代得到迅速发展。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。尽管对应变工程电子性质进行了广泛的研究，但在不均匀应变作用下复杂的声子运输机制在很大程度上仍未被探索。声子是一种准粒子，它是在固体晶格结构中传递热量的量子力学实体。目前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。
【创新成果】
近日，北京大学杨林研究员、杜进隆工程师、高鹏教授等人通过在定制的微器件上弯曲单个硅纳米带来诱导非均匀应变，并测量其对热输运的影响，同时以亚纳米分辨率的STEM中使用EELS来表征应变相关的振动谱，从而填补了非均匀应变对热传输影响这一研究空白。研究结果表明，每纳米0.112%的应变梯度可导致κ急剧降低34±5%，这是先前在均匀应变下证明的κ调制的3倍以上。利用在像差校正的STEM中配备单色仪的EELS的最新进展，研究者直接测量了局部声子模式，并将它们与纳米尺度的应变梯度相关联。结果表明，弯曲引起的晶格应变梯度显著改变了声子的振动态，拓宽了声子谱。结合从头算理论模型，这种展宽效应增强了声子散射，缩短了声子寿命，最终抑制了κ。该论文以题为“Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain”发表在知名期刊Nature上。
【数据概览】
图1 Si中非均匀应变对热传输的显著抑制 © 2024 Springer Nature
图2 弯曲Si纳米带的温度依赖性κ © 2024 Springer Nature
图3 空间解析应变调制声子模式 © 2024 Springer Nature
图4 非均匀应变诱导声子谱展宽的建模 © 2024 Springer Nature
【科学启示】
通过开发从微米到原子尺度的实验表征工具，并与从头算理论建模相结合，本研究为不均匀应变对声子输运的影响这一领域难题提供了一个关键思路。因此，这项研究不仅明确揭示了不均匀应变对热传输的显著影响，而且为应变工程功能器件的创新设计提供了见解。例如，应变梯度引起的晶格κ的减少和先前证明的载流子迁移率的增强之间的协同作用为开发高性能热电能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节纳米带阵列中的不均匀应变来实现功能性热开关，用于动态热通量控制。
文献链接：Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain (Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07390-4)
