北京大学杨林团队最新《Nano Letters》论文：应变梯度实现纳米硅各向异性导热调控

近日，北京大学先进制造与机器人学院热功能实验室（Functional Thermal Lab）杨林团队在国际期刊《Nano Letters》发表题为“Anisotropic Heat Conduction of Silicon Nanocube through Strain Gradient Engineering”的研究论文。该工作提出通过机械弯曲诱导晶体对称性破缺的创新策略，实现了硅纳米结构中热传导的定向调控，为微电子散热、芯片热管理等领域的精准热流控制提供了全新路径。

该研究是团队在2024年《Nature》发表的“Suppressed thermal transport in silicon nanoribbons by inhomogeneous strain”研究的后续探索（DOI：10.1038/s41586-024-07390-4）。此前《Nature》工作首次揭示了非均匀应变通过声子谱展宽效应显著抑制硅纳米带热传导的物理机制，而此项研究则进一步聚焦热传导的方向性调控，通过构建应变梯度纳米硅模型，实现了对热流方向的精准且可逆调控，为热功能材料的设计开发提供了新的思路。

 

核心方法：单轴弯曲引发应变梯度并诱导各向异性导热

在微电子芯片冷却、建筑温度调节等关键应用中，精准控制热流方向至关重要。传统实现各向异性热传导的方法如超晶格结构、二维范德华材料堆叠等，普遍面临制造复杂、结构稳定性差等问题。例如，MoS2原子层随机堆叠虽能实现高达900的各向异性比，但层间弱范德华力易导致机械载荷下的褶皱变形，严重影响器件可靠性。如何在三维共价键材料中实现可逆、稳定的热传导各向异性，成为该领域的重要挑战。

针对上述难题，该研究提出了弹性应变梯度诱导晶体对称性破缺策略，通过对纳米硅晶体施加单轴弯曲，在材料内部产生沿一特定方向分布的应变梯度，从而在平行与垂直于应变梯度的方向上形成明显不同的声子输运行为。模拟结果表明，在应变梯度为0.44%/nm时，热导率各向异性比可达1.20。

图1. 应变梯度调控各向异性导热

机制分析：应变梯度诱导的各向异性声子谱展宽

该研究提出，弯曲产生的应变梯度会诱导两种应变类型：轴向静态应变和横向动态应变。静态应变显著拓宽声子谱，增强了声子非弹性散射过程，导致热导率显著降低；而动态应变对热流影响较小，保持较高的热导率。这种差异化作用使材料在不同方向呈现热传导各向异性。通过声子谱计算和声子线宽分析，进一步区分并阐明了静态应变与动态应变在不同传热方向上的差异化作用机制，证实了通过应变梯度诱导各向异性声子谱展宽是一种可逆且有效的定向热调节方法。

图2. 应变梯度硅晶格中的不同应变机制

图3. 应变梯度诱导各向异性声子谱展宽

 

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。该研究论文通讯作者为北京大学先进制造与机器人学院杨林研究员，第一作者为2024级博士生吕骏，2023级博士生乔硕为共同作者。

北京大学先进制造与机器人学院杨林团队长期深耕力-热耦合能量输运微观机理表征与调控研究，此次成果延续了团队在非均匀应变热调控领域的系统性探索。未来，团队将进一步拓展应变梯度工程在多元热功能材料体系中的应用，探索其在高性能热管理等前沿方向的潜力，推动从基础研究到工程应用的转化。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c06559