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

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。

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。

时若晨，北京大学物理学院博士研究生。

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。

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