熱物性測(cè)量：從理論模型，校準(zhǔn)策略到儀器集成

熱設(shè)計(jì) 2025-08-11

來源：Journal of Applied Physics

鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0280896

背景介紹

隨著電子器件持續(xù)向微型化、高集成度和高功率密度方向發(fā)展，器件內(nèi)部的熱管理問題逐漸成為制約其性能提升和可靠性保障的關(guān)鍵因素。微納尺度下的熱傳導(dǎo)行為往往顯著偏離傳統(tǒng)的傅里葉定律，這主要受到諸如聲子界面散射、邊界限制、量子效應(yīng)等非經(jīng)典熱輸運(yùn)機(jī)制的影響。同時(shí)，新興材料體系（如石墨烯、過渡金屬硫化物、黑磷、MXenes等）由于具有高度各向異性和層間耦合特性，其熱性能在微觀結(jié)構(gòu)層面表現(xiàn)出極大的空間非均勻性。因此，發(fā)展能夠以高空間分辨率和高靈敏度準(zhǔn)確測(cè)量材料局部熱性質(zhì)的表征手段，成為當(dāng)前納米熱科學(xué)領(lǐng)域的核心需求。

掃描熱顯微技術(shù)（Scanning Thermal Microscopy, SThM）是一種基于掃描探針顯微鏡（SPM）平臺(tái)的熱測(cè)量方法，通過在探針端集成熱敏元件（如熱電偶、電阻溫度計(jì)等），實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品表面熱導(dǎo)率或溫度的納米尺度空間成像。SThM 既具備接觸式測(cè)量的高靈敏度優(yōu)勢(shì)，又能實(shí)現(xiàn)與形貌同步的熱圖譜獲取，特別適用于分析異質(zhì)、多相、各向異性材料中的局部熱傳導(dǎo)行為。SThM 在實(shí)際應(yīng)用中面臨一個(gè)核心挑戰(zhàn)：如何將探針?biāo)鶞y(cè)得的電信號(hào)（如電壓、電流等）準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為具有物理意義的熱參數(shù)（如熱導(dǎo)率、表面溫度等）。

成果掠影

近日，清華大學(xué)曹炳陽教授團(tuán)隊(duì)（第一作者為清華大學(xué)訪問學(xué)者李一凡，現(xiàn)為上海第二工業(yè)大學(xué)副教授）系統(tǒng)梳理了基于SThM的定量測(cè)量領(lǐng)域的代表性研究工作。從理論模型，校準(zhǔn)策略到儀器集成三個(gè)方面對(duì)20年來的發(fā)展進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。理論建模方面，文章詳述了探針-樣品界面多路徑熱傳導(dǎo)機(jī)制，包括氣體熱導(dǎo)、水膜導(dǎo)熱、機(jī)械接觸導(dǎo)熱與近場(chǎng)熱輻射，并對(duì)各類熱阻建模方法進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納總結(jié)。校準(zhǔn)技術(shù)方面，系統(tǒng)歸納了隱式（ITEC）與顯式（ETEC）建模方法、雙掃描技術(shù)（Double-scan）與零點(diǎn)法（Null-point）等策略，明確了各方法在樣品熱導(dǎo)率測(cè)量與表面溫度重構(gòu)中的適用場(chǎng)景與精度優(yōu)勢(shì)。儀器集成方面，文章介紹了3ω-SThM、基于MEMS的熱平臺(tái)和分布式熱敏探針等集成結(jié)構(gòu)。此外，作者還展望了SThM未來的發(fā)展趨勢(shì)，包括多物理量協(xié)同測(cè)量體系的構(gòu)建、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的定量反演方法等新興方向。研究成果以“Quantitative measurements in scanning thermal microscopy: Theoretical models, calibration technique, and integrated instrument”為題發(fā)表在《Journal of Applied Physics》期刊上。