超快速界面传热新突破：六方氮化硼中双曲线声子极化激元模式实现固体间高效热传递

为解决固体界面热传输限制问题，研究人员探究 HPhP 模式，发现其可超快速传热，突破传统局限。

　　在现代电子和光子应用的 “舞台” 上，固体与固体之间的热传输就像一位 “幕后英雄”，起着至关重要的作用。然而，传统的热传导 “路径” 却常常像一条条狭窄的小巷，限制了热传输的效率，阻碍着相关技术的进一步发展。在这个背景下，研究人员踏上了寻找新 “通道” 的征程，旨在突破这些限制，提升热传输的性能。

来自美国弗吉尼亚大学、范德堡大学、堪萨斯州立大学、宾夕法尼亚州立大学等多所高校的研究人员携手合作，开展了一项关于固体界面热传输的研究。他们的研究成果发表在《Nature Materials》上，为该领域带来了新的曙光。

研究人员在探索中发现，在极性晶体里，有一种被称为声子极化激元（phonon polaritons）的混合振动模式，它为突破传统热传导的局限提供了希望。特别是体积受限的双曲线声子极化激元（HPhP）模式，能够以远超声子 - 声子传导的速率，在固体 - 固体界面传递能量。这一发现就像是在热传输的 “迷宫” 中找到了一条捷径，大大提高了热传递的速度。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：

1. 泵浦 - 探测热反射技术（pump–probe thermoreflectance）：利用中红外、可调谐的亚皮秒分辨率探测脉冲，结合宽带辐射加热，远程且选择性地观察六方氮化硼（hBN）中的 HPhP 模式。
2. 转移矩阵法（TMM）：用于模拟热反射光谱，探究 HPhP 模式在热传输过程中的作用。
3. 求解热方程：通过求解圆柱形热方程，量化金 - hBN 界面的热边界电导（TBC），评估 HPhP 模式对热传输的影响。

研究结果主要包括以下几个方面：

1. HPhP 模式的光谱和时间分辨：研究人员通过实验，成功在光谱和时间上分辨出 hBN 中热激发的 HPhP 模式，清晰地证明了这些热 HPhP 载体能够实现更高效的热传输。在实验中，当调整探测能量在 hBN 的 Reststrahlen 带（由横向和纵向光学声子界定的频率范围）内时，热反射信号会出现大幅增加，且在最早的时间点达到最大值，这表明光学声子温度发生了显著变化，有力地证明了 HPhP 模式在热传输中的重要作用。
2. HPhP 模式的热耦合特性：HPhP 热耦合可以在全固体异质界面发生，而且 HPhP 模式不需要相干激发，近场辐射的灰体就可以对其进行光学激发。实验中，金垫受热辐射后，热电子产生的近场辐射能够直接与 hBN 中的 HPhP 模式耦合，激发 HPhP 和 TO 声子模式，实现热量的快速传递。
3. HPhP 模式对热边界电导的影响：研究发现，Au - hBN 的热边界电导（TBC）可以在超快时间尺度（亚纳秒）上，通过 HPhP 介导的能量转移得到显著提高。通过对热反射信号的分析和热方程的求解，研究人员得出 Au - PhP hBN 的 TBC 至少为500MWm?2 K?1，比传统声子 - 声子传导的 TBC 高出一到两个数量级。
4. 超快热沉效应：实验观察到，在 hBN 作为基底时，金表面在早期明显更凉爽，这证明了 hBN 在超快时间范围内具有卓越的热沉能力。研究人员通过建立三温度模型（3TM），解释了热电子从金到 hBN 的能量传输过程，进一步验证了 HPhP 模式在超快热传输中的主导作用。

总的来说，这项研究通过实验证实了通过将瞬态加热的金垫的热能转换为 hBN 中的 HPhP 模式，能够实现固体 - 固体界面的超快热传输。这一机制揭示了极化激元模式在界面热传递领域的重要作用，突破了传统声子主导的热边界电导的限制。该研究成果为未来的光子源设计、高频电子设备的热管理以及新型计算机的研发提供了新的思路和方法。它就像一把钥匙，打开了高效热传输的新大门，让我们在电子和光子应用的道路上能够走得更远、更稳，有望推动相关领域取得更大的突破和发展。