研究团队表面声子极化激元增强面内热导率领取取得新进展

近日，极端条件热物理团队在极性材料表面声子极化激元（SPhPs）增强面内热导方面取得了重要进展。研究团队以双Reststrahlen带材料SrTiO₃为研究对象，探讨了更宽支持SPhPs传播的光学波段对增强SPhPs-支持的面内热导的作用机制。同时总结了温度以及掺杂等材料改性方式对双Reststrahlen带材料的影响，并对比了与只考虑单Reststrahlen带的差异性。相关成果以“Enhanced in-plane thermal conductivity of polar SrTiO₃by surface phonon polaritons within dual Reststrahlen band”为题发表在期刊《Applied Physics Letters》上。

随着器件小型化的不断推进，高效的纳米尺度散热已成为一项关键挑战。表面声子极化激元——由光学声子与光子耦合产生的倏逝波——为热传输提供了一种替代途径，具有接近光速的传播特性，其传输长度远超传统声子或电子。支撑SPhPs传播的有效频率范围（Δω）在补偿小型化导致的有效传播长度缩短方面起着至关重要的作用。然而，传统极性材料通常具有较窄的Reststrahlen带，并往往需要通过结构改性（如金属辅助设计）来拓展Δω，这不仅增加了器件复杂性，而且效率提升有限。双Reststrahlen带材料可天然拓宽Δω，并为理解膜厚、温度、掺杂等参数影响热传输提供新的研究方向。然而这些机制仍缺乏深入探索。此外，打破膜顶部（ε₁）与底部（ε₃）介电特性对称性——以不对称因子Δ = |ε₃– ε₁|/ε₁× 100%表征——有望增强SPhPs介导的热传输，但其物理机理尚不清晰。

在本研究中，我们首先通过光谱椭偏测试获得了SrTiO₃在双Reststrahlen带范围内的温度与掺杂依赖介电函数。通过分析支持SPhPs传播的频率范围，我们优化了Δ与热传输性能之间的关联，并弥补了以往研究中的差异。最后，我们揭示了Nb掺杂通过晶格软化与增强声子散射来调控热传输的机制。本研究不仅提供了一种具有潜力的材料候选，还为电子与光子器件的小型化散热提供了理论指导。

图1 双Reststrahlen带SrTiO₃在改变薄膜高度以及不对称因子时的色散分布

图2 温度对双Reststrahlen带频率范围内热导率的影响

图3 掺杂对双Reststrahlen带频率范围内热导率的影响

文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0280414