中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-031）——探测半导体界面晶格动力学的新谱学方法

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工作简介

         ——探测半导体界面晶格动力学的新谱学方法

北京大学物理学院量子材料科学中心和电子显微镜实验室高鹏研究组近日发展了可以在纳米尺度上探测界面晶格动力学的谱学方法。这一方法可以直接测量半导体异质结界面的局域声子模式，从而理解界面热导和电子迁移率等物理性质。研究成果以“Measuring phonon dispersion at an interface”为题，于2021年11月17日发表于《自然》杂志（Nature）上。

随着电子器件的小型化，散热问题已经成为限制半导体器件如大功率LED、高电子迁移率晶体管等的性能的瓶颈。在这些器件中，界面对热流的阻碍作用通常远大于均匀的块体材料。考虑到在半导体界面处的热导主要是由声子贡献的晶格热导，因此直接测量界面局域的声子性质可以帮助我们理解并控制半导体器件中的热传导行为。尽管异质结界面处存在局域声子模式在上世纪就被晶格动力学理论所预言，相关的实验探测却困难重重：这些声子仅存在于界面附近的几层原子内，因此实验测量手段须达到纳米甚至原子级别的空间分辨率和极高的探测灵敏度；作为毫电子伏级的低能激发，实验仪器必须具有很高的能量分辨率和粒子单色性；为了进一步测量界面声子的色散关系，实验的动量分辨率也要明显优于材料的布里渊区尺寸。因此，现有的各种传统谱学手段（非弹性中子散射谱、X射线谱、针尖增强光谱等）均不能同时满足这些严苛的要求。

最近，北京大学物理学院高鹏课题组基于扫描透射电子显微镜发展了四维电子能量损失谱学（图1，发明专利：ZL202011448013.7），能够根据实际问题的需要在空间分辨率和动量分辨率之间取得最佳平衡，使得在纳米尺度测量界面声子色散成为可能。尽管测不准原理限制了空间分辨率和动量分辨率同时达到最优，这一技术却已非常接近最优的理论极限。

图1. （a）四维电子能量损失谱学实验原理示意图；（b）实验测量与第一性原理计算得到的金刚石态密度；（c）实验测量与第一性原理计算得到的金刚石声子色散关系；（d）不同电压下空间分辨率与会聚角之间的关系（目前优化的空间分辨率和动量分辨率距离衍射极限理论上限仅差约15%）；（e）不同电压下的、动量分辨率与会聚角之间的关系（内插图为金刚石的倒空间）。

近日，他们利用该谱学技术，首次在宽禁带半导体立方氮化硼-金刚石界面处观测到界面声子的存在，并测量了其空间分布、局域态密度和色散关系。在大会聚角下，实验空间分辨率可达原子级，从而实现声子局域态密度的原子级测量，直接观测到局域在界面附近的增强和减弱的声子模式（图2a）；在中等会聚角下，可同时达到1.5 nm以内的空间分辨率和金刚石1/4第一布里渊区边长的动量分辨率，从而首次实现了这些局域声子模式的色散关系测量（图2b）。根据理论计算，测得的金刚石氮化硼界面声子模式（图2c）不仅对界面热导有显著贡献，也通过电声相互作用直接影响界面二维电子气的迁移率。这一工作为半导体异质结提供了强有力的表征手段，也有助于理解和设计新一代半导体器件。

图2.（a）实验测得的谱线随空间位置的变化，近似正比于声子局域态密度；（b）界面模式的色散关系；（c）界面增强的声子模式（上、中）和界面减弱的模式（下）示意图。

2021年11月17日，相关研究成果以“测量界面声子色散”（ Measuring phonon dispersion at an interface）为题，在线发表于《自然》（Nature）；北京大学物理学院量子材料科学中心、电子显微镜实验室研究助理亓瑞时与物理学院2018级博士研究生时若晨为共同第一作者，高鹏为通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划及量子物质科学协同创新中心等支持。

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作者简介

第一作者

亓瑞时，曾任北京大学物理学院科研助理；现为加州大学伯克利分校博士研究生。

毕业于北京大学物理学院，曾任北京大学物理学院科研助理，现于加州大学伯克利攻读物理学博士学位。多篇论文发表于Nature、Nature Materials、Nature Communications等国际顶级期刊。

第一作者

时若晨，北京大学物理学院博士研究生。

2018年获复旦大学物理学院学士学位，目前于北京大学攻读博士学位。目前主要研究方向为利用球差校正透射电镜及电子能量损失谱学研究界面等低维材料体系的物理性质。多篇论文发表于Nature、Nature Materials、Nature Communications等国际顶级期刊。

通讯作者

高鹏，研究员，北京大学博雅青年学者。国家杰出青年基金获得者，国家重点研发计划首席科学家。

现工作于北京大学量子材料科学研究中心，担任北京大学电子显微镜实验室副主任。长期从事材料界面物理和电子显微学研究，主要包括低维轻元素材料表界面、复杂氧化物界面、新能源材料的界面与相变等。发表论文200余篇，包括60多篇Science/Nature及子刊、PRL、Adv Mater。论文被引万余次，多个工作被NSF News、IEEE Spectrum、BBC News、ScienceDaily、Phys.org、R&D Magazine、Physics News、Compound Semiconductor、Semiconductor Today、AIP Scilight、National Science Review等国内外媒体作为研究亮点进行报道。曾获日本JSPS研究员、中科院青促会特邀会员、中国新锐科技人物、中国电子科技十大进展、中国光学十大科技进展、中国硅酸盐学会青年科技奖等奖项与荣誉称号。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03971-9

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

半导体学报公众号

微信号 : JournalOfSemicond

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