摘要：在电子设备飞速发展的今天，芯片性能不断提升的同时，散热问题却如影随形，成为制约其进一步突破的关键瓶颈。手机通话稍久便烫手、电脑运行大型软件后风扇狂转，这些生活中常见的现象背后，是芯片内部热量堆积的困境。而近期，北京大学高鹏团队的一项突破性研究，犹如一道曙光，为
在电子设备飞速发展的今天，芯片性能不断提升的同时，散热问题却如影随形，成为制约其进一步突破的关键瓶颈。手机通话稍久便烫手、电脑运行大型软件后风扇狂转，这些生活中常见的现象背后，是芯片内部热量堆积的困境。而近期，北京大学高鹏团队的一项突破性研究，犹如一道曙光，为解决这一世纪难题带来了新的希望。他们首次实现了在原子尺度上对热量传递过程的清晰观测，让我们对芯片散热的微观机制有了前所未有的深刻理解。
要理解芯片散热的难题，首先要了解热量在固体材料中的传递方式。在固体中，原子并非静止不动，而是在各自的平衡位置附近持续振动。这些原子的集体振动，在物理学中被抽象为一种名为 “声子” 的准粒子。热量在材料中的传递，本质上就是声子携带能量在晶格间跳跃、传播的过程。可以将其想象成一场微观世界里的接力赛，声子们依次传递能量，从而实现热量的转移。
当热量传递遇到不同材料的交界面时，情况就变得复杂起来。以芯片中常见的氮化铝（AlN）与碳化硅（SiC）这两种材料的界面为例，声子跨越这个边界时，会遭遇重重阻碍，形成所谓的 “界面热阻”。这种热阻就如同高速路上突然出现的收费站，车辆（声子）在这里通行速度减缓，造成了热量传递的拥堵。而在指甲盖大小的芯片内部，密密麻麻地堆叠着无数这样的材料界面，每个界面都像是一个微小的 “堵点”，众多 “堵点” 叠加，最终导致芯片整体热量大量积聚，严重影响性能，甚至引发设备故障。
长期以来，尽管科学家们深知界面热阻是芯片散热的关键症结所在，但由于技术限制，一直无法在原子尺度上清晰观察和理解这个 “收费站” 的具体运作机制。究竟热量在这极微小的界面区域内如何传递、为何受阻？这些问题犹如迷雾，笼罩着芯片散热研究领域，阻碍着更有效的散热技术的开发。
高鹏团队此次取得突破的关键，在于他们创新性地开发了一种基于电子显微镜的先进技术。这种技术巧妙地利用了电子与材料相互作用时产生的 “非弹性散射” 现象。当高速运动的电子穿透材料内部时，会与正在振动的原子（即声子）发生能量交换。这一交换过程如同在微观世界留下了独特的 “脚印”，携带了丰富的温度信息。
为了精确捕捉这些信息，团队精心定制了一套复杂的实验装置。其中，一个专门设计的微型 “加热舞台” 尤为关键。这个 “舞台” 能够让热量稳定、可控地流过氮化铝与碳化硅的界面，模拟芯片内部真实的热传递场景。与此同时，团队利用高分辨率电子显微镜，对电子与声子相互作用产生的非弹性散射进行精准测量。通过一系列复杂的计算和分析，成功实现了令人惊叹的亚纳米级别的温度分辨率，这一精度达到了头发丝直径的万分之一以下，为观察微观热现象提供了前所未有的 “高清视角”。
借助这一强大的技术工具，研究团队成功 “拍摄” 到了材料界面处热量传递的微观图像，其结果令人震撼。在高达每微米 180 开尔文（相当于 1 米长度上存在 18 万度的巨大温差）的极端温度梯度下，研究人员清晰地观测到，当热量跨越氮化铝与碳化硅界面时，温度在仅仅约 2 纳米的极短距离内，陡然出现了 10 到 20 开尔文的急剧变化。与之形成鲜明对比的是，在氮化铝或碳化硅材料内部，要产生同样幅度的温度下降，需要几十甚至几百纳米的长度。这一观测结果明确表明，界面处的热阻相较于材料内部，足足高出了 30 到 70 倍之多，形象地说，热量传递在这里遭遇了如同从宽阔河道瞬间挤入狭窄峡谷般的巨大阻碍。
更具突破性的是，团队在界面附近约 3 纳米的狭小区域内，捕捉到了声子处于一种特殊的 “非平衡” 状态。在常规条件下，声子的能量分布遵循特定的统计规律，即 “玻色 - 爱因斯坦分布”。然而在这个界面区域，声子们似乎不再遵循这一常规秩序，变得有些 “混乱”。为了深入探究这一现象背后的热传递机制，团队巧妙地改变了加热方向，让热量从相反方向流过界面。通过对比两种情况下声子模式的分布差异，成功揭示了热量传递过程中动态、复杂的非弹性微观过程。这就好比不仅清晰地看到了高速公路收费站的拥堵状况，还详细了解了车辆（声子）在站内如何相互碰撞、交换信息，极大地深化了我们对原子尺度热传递的认知。
高鹏团队的这一研究成果，其意义远远超出了基础科学研究的范畴，对实际应用尤其是芯片散热技术的发展，具有革命性的推动作用。过去，工程师们在设计芯片散热方案时，由于缺乏对微观热传递机制的精确了解，很大程度上只能凭借经验和反复试验来摸索，如同在黑暗中摸索前行，效率低下且效果有限。而如今，有了这种原子级别的 “热成像” 技术，他们就如同拥有了一张精准的地图，能够清晰地知晓热量在芯片内部何处受阻、为何受阻，从而有针对性地设计出更为高效的散热结构与界面材料。
这一成果对于制造高性能、低发热的电子设备意义重大。在电动汽车的功率芯片中，高效散热能够确保芯片在高负荷运行下保持稳定性能，提升车辆的续航里程与安全性；在 5G/6G 通信基站的核心器件里，良好的散热可保障信号处理的高速与稳定，避免因过热导致的数据传输中断。《自然》杂志资深编辑斯图尔特・托马斯高度评价道：“在纳米尺度测量温度本身就是极其困难的挑战，而这项研究更进一步，深入揭示了热量跨越界面的流动方式以及背后声子的关键作用机制。” 并且，研究中所涉及的氮化铝 / 碳化硅材料，正是当下高功率电子器件的热门候选材料，其热管理问题一直是行业关注的焦点。
来源：人工智能学家