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、量子效應等非經(jīng)典熱輸運機制的影響。同時，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確測量材料局部熱性質(zhì)的表征手段，成為當前納米熱科學領(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）平臺的熱測量方法，通過在探針端集成熱敏元件（如熱電偶、電阻溫度計等），實現(xiàn)對樣品表面熱導率或溫度的納米尺度空間成像。SThM 既具備接觸式測量的高靈敏度優(yōu)勢，又能實現(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行為。SThM 在實際應用中面臨一個核心挑戰(zhàn)：如何將探針所測得的電信號（如電壓、電流等）準確地轉(zhuǎn)化為具有物理意義的熱參數(shù)（如熱導率、表面溫度等）。

成果掠影

近日，清華大學曹炳陽教授團隊（第一作者為清華大學訪問學者李一凡，現(xiàn)為上海第二工業(yè)大學副教授）系統(tǒng)梳理了基于SThM的定量測量領(lǐng)域的代表性研究工作。從理論模型，校準策略到儀器集成三個方面對20年來的發(fā)展進行了系統(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機制，包括氣體熱導、水膜導熱、機械接觸導熱與近場熱輻射，并對各類熱阻建模方法進行了系統(tǒng)的歸納總結(jié)。校準技術(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）與零點法（Null-point）等策略，明確了各方法在樣品熱導率測量與表面溫度重構(gòu)中的適用場景與精度優(yōu)勢。儀器集成方面，文章介紹了3ω-SThM、基于MEMS的熱平臺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，包括多物理量協(xié)同測量體系的構(gòu)建、基于機器學習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。

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