填補材料力學領域，北京大學最新Nature

　　在材料力學領域有一句口頭禪，“越小越強”，這門科學興起于20世紀50年代，并在當代得到迅速發展。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。盡管對應變工程電子性質進行了廣泛的研究，但在不均勻應變作用下復雜的聲子運輸機制在很大程度上仍未被探索。聲子是一種準粒子，它是在固體晶格結構中傳遞熱量的量子力學實體。目前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。

　　【創新成果】

　　近日，北京大學楊林研究員、杜進隆工程師、高鵬教授等人通過在定制的微器件上彎曲單個硅納米帶來誘導非均勻應變，并測量其對熱輸運的影響，同時以亞納米分辨率的STEM中使用EELS來表征應變相關的振動譜，從而填補了非均勻應變對熱傳輸影響這一研究空白。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。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。該論文以題為“Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain”發表在知名期刊Nature上。

　　【數據概覽】

　　圖1 Si中非均勻應變對熱傳輸的顯著抑制 ? 2024 Springer Nature

　　圖2 彎曲Si納米帶的溫度依賴性κ ? 2024 Springer Nature

　　圖3 空間解析應變調制聲子模式 ? 2024 Springer Nature

　　圖4 非均勻應變誘導聲子譜展寬的建模 ? 2024 Springer Nature

　　【科學啟示】

　　通過開發從微米到原子尺度的實驗表征工具，并與從頭算理論建模相結合，本研究為不均勻應變對聲子輸運的影響這一領域難題提供了一個關鍵思路。因此，這項研究不僅明確揭示了不均勻應變對熱傳輸的顯著影響，而且為應變工程功能器件的創新設計提供了見解。例如，應變梯度引起的晶格κ的減少和先前證明的載流子遷移率的增強之間的協同作用為開發高性能熱電能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節納米帶陣列中的不均勻應變來實現功能性熱開關，用于動態熱通量控制。

　　文獻鏈接：Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain (Nature 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07390-4)