二維聲子工程推動微觀熱功能器件發展 | NSR觀點

2020-11-22 騰訊網

熱學超構材料（Thermal Metamaterials）的快速發展，極大地推動了宏觀熱流調控的發展，也相繼催生了諸如熱隱身、熱偽裝、熱聚集、熱折射、熱反射、熱編碼、熱列印、熱二極體等不同熱學功能器件。儘管理論模擬通常呈現出完美的熱流調控效果和熱學功能，但是實驗效果還有待完善，這是因為理論上要求超構材料由各向異性材料構成，而為了加工方便通常在可加工性和熱學性能兩方面權衡，還包括實驗加工精度和接觸熱阻等的影響。

從宏觀走向微觀的熱功能器件

近期，《國家科學評論》（National Science Review, NSR）在線發表華中科技大學胡潤副教授、羅小兵教授（通訊作者）共同撰寫的觀點文章「二維聲子工程推動微觀熱功能器件發展」（Two-dimensional phonon engineering triggers microscale thermal functionalities）。

文章介紹了基於宏觀熱流調控的熱學功能器件的發展現狀和不足，並評論了近期在《納米快報》（Nano Lett.2019, 19, 3830-3837）上由加州大學伯克利分校Junqiao Wu教授課題組報導的粒子轟擊微觀熱學平臺，指出該平臺在熱導率連續可調、消除接觸熱阻、微觀溫度場成像三方面克服了宏觀熱流調控和功能器件的不足，並實現了微觀熱隱身、熱整流和熱存儲等熱學功能。

文章進一步指出，該微觀平臺本質上是二維聲子工程平臺，可用於更多二維聲子工程和微觀熱功能器件相關的實驗研究。大部分已有的聲子工程研究，針對的是「準一維」或「端到端」的熱學聲子輸運性質，比如聲子透射、聲子熱導率等。雖然二維聲子能量分布已有部分研究，但是大多是理論研究方面，少有的實驗研究的也是測試熱導率等參數，缺乏微觀溫度場成像的報導。該平臺乃首次對微觀溫度場進行了成像，成像精度為10納米左右，遠小於晶態矽的聲子平均自由程。

文章還預測，基於二維聲子工程可在以下四方面進一步開展工作，包括：1）實驗探索聲子的粒子特性，並與聲子模特卡洛和分子動力學模擬開展驗證工作；2）實驗探索聲子的波動特性，實驗觀測相干聲子波動，並與聲子波包和格林函數相互驗證。3）探索聲子輸運的更多物理，包括局部聲子局域、局部聲子幹涉、聲子時空調製等。4）探索更多微觀熱學功能，實現微觀熱流調控，並嘗試在納米電子和納米光子器件等方面進行應用。

作為新的研究平臺和研究手段，二維聲子工程很可能會帶來更多物理發現，並推動微觀熱功能器件的實際發展。

參考文獻：

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