引 言
在过去50年里，半导体工业一直遵从摩尔定律，即每过2年，芯片上晶体管的数量就增加一倍[1]。一个典型的例子是手机处理器的芯片， A5芯片上有10亿个晶体管， A6芯片上的晶体管达到了20亿， A9芯片则集成了27亿至45亿个晶体管[2]。伴随着芯片集成度的提高，芯片的功耗也在不断增加。目前一些高性能中央处理器（Central Processing Unit, CPU）的功耗已经达到200 W以上，由于CPU中发热单元的面积只有500 µm2 ∼ 5 mm2，一些局部发热点的热流密度高达40 MW/m2以上，比飞行器返回大气层时的热流密度（约5 MW/m2）高了近一个量级。因此，实现芯片的有效热管理是摩尔定律面临的一个主要挑战[3]。
摩尔定律面临的另一个挑战是特征尺寸缩小到纳米尺度后，如何有效提高载流子的迁移率。当栅介质厚度减小到接近1 nm时，关态漏电、功耗密度增大、迁移率退化等物理极限会使器件性能恶化。沟道高掺杂使库仑相互作用增强、栅介质变薄，而库仑相互作用增强和栅介质变薄会导致有效电场强度增加、界面散射增强，有效电场强度增加、界面散射增强等因素又会使迁移率退化。提高沟道内载流子的迁移率，可以弥补迁移率的退化。目前，得到广泛应用的是应变硅技术。在应变硅中，应力引起的有效质量和散射几率的降低可以显著提高载流子的迁移率。为了应对后摩尔时代半导体工业发展的问题，人们提出了各种技术路线和设计理念。根据技术发展的内在规律，可以粗略地将技术路线分为长期目标、中期目标和近期目标。长期目标包括量子计算机、神经网络计算机等。其次是寻找新材料，设计超原子材料。例如，应用二维石墨烯、砷化硼和电子自旋材料提高电子迁移率和导热系数，这大概需要10 ∼ 20年的时间。在新材料和新概念芯片投入工业化应用之前，一个可行的技术路线是将芯片结构的设计从二维推向三维。三维芯片不仅能够有效利用第三维度提高器件的空间密度，也可以在存储器层之间夹入处理逻辑层，有效缩短数据信号的传输距离，从而提高芯片的处理速度[3]。但随着三维芯片集成度的进一步提高，热障问题和迁移率退化问题变得更加严峻。与二维芯片相比，三维芯片的产热会更多，而且由于集成度提高，可用于散热的表面积要小得多。因此，提高载流子的迁移率实现载流子的近似弹道输运、寻找超高导热系数材料和降低界面热阻是后摩尔时代半导体器件发展的主旋律。
1 芯片结构与材料的设计
在室温条件下，碳基材料[4–6（如金刚石、石墨等） ]被认为具有最高的导热系数。这是因为碳基材料的德拜温度高，声子群速度快，非简谐项弱。因此，寻找超高导热系数材料时以碳基材料的属性作为准则。这些属性或准则包括：1）晶格结构简单；2）原子质量小；3）原子间作用势强；4）原子间非简谐项弱。但在过去几十年里，对超高导热系数材料的寻找一直没有取得大的进展。近20年来，随着微纳制造水平的提高和大规模计算能力的增强，不仅能够制备纯度更高的单晶材料，更能从原子层次设计新材料。在原有准则基础上，又提出了新的准则：1）声子的光学分支与声学分支之间能带差愈大愈好；2）声子的声学分支之间能带差愈小愈好；3）机械应力可以有效调控声子的输运。在新准则的指导下，第一性原理计算发现半导体砷化硼（BAs）在室温下的热导率接近金刚石，比当前半导体工业广泛使用的硅高了一个数量级。
在半导体材料中，载流子的迁移率取决于掺杂浓度、缺陷浓度、载流子浓度、载流子与声子散射强度和机械应变分布等。其中，利用机械应变调控载流子迁移率的技术手段逐渐成熟。例如，在硅衬底上生长组分渐变的过渡层，然后生长固定组分的弛豫SiGe层，最后生长应变硅层[7–8]，随着SiGe缓冲层中Ge含量的提高，电子迁移率得到增强，当Ge含量达到28%时，电子迁移率提升近110%。从65 nm技术节点开始，半导体业界在逻辑电路产品中大量应用应变硅技术，已成为进一步延伸摩尔定律的重要技术手段。应变增大有利于载流子迁移率的提高，但随着应变对声子散射的增强，材料的导热系数将退化，特别是当结构尺寸在微纳尺度时，散射弹道输运的声子将对材料的散热能力造成极大损害。这是因为当结构的尺寸减小到微纳米尺度时，尺寸效应和边界约束条件将显著影响材料的热物性、界面热阻和导电率。例如，一个自由石墨烯薄片的导热系数大约为5 000 W/(m·K)[4]，但当单层石墨烯平铺在二氧化硅基底上时，它与基底间范德华力的相互作用限制了石墨烯法向模式声子对面内导热系数的贡献，使其导热系数只有600 W/(m·K)[5–8]，下降了近一个量级。
结构应变不仅会改变载流子的迁移率，也会改变声子的热导率[9]。此外，由于在半导体材料中声子和电子同时存在，它们之间的电–声耦合作用也影响到声子和电子的输运，只是目前还很缺乏这方面的实验研究[10–12]。最近，文献 [13] 的实验结果表明，对于NbSe3纳米线，在由电荷密度波引起的固固相变温度附近，电子浓度发生了显著变化，电–声耦合作用也发生了显著改变，从而显著改变了电子对电导率和声子对热导率的贡献。随着半导体材料中掺杂浓度、应变和温度的变化，电–声耦合作用强度也会发生变化，其对声子和电子输运特性的影响还有待研究。
为了寻找超高导热系数、导电系数的材料和改善界面热阻，在工程实际中，必须解决以下几个问题：
1）微纳结构导热系数和导电率的高精度高空间分辨率的测量问题。高空间分辨率的测量可满足2个方面的要求。一方面，由于尺寸效应直接影响材料的热物性和导电特性，因此高空间分辨率的测量能够精确探测尺寸效应对结构性质的影响；另一方面，在新材料（如量子点、纳米线和二维材料）的研制过程中，样品尺寸很难做大，高空间分辨率和高精度的测量仪器将为寻找新材料提供可行的评价工具。
2）微纳结构应力、导热系数和导电率的原位测量问题。尺寸效应、界面效应直接影响微纳结构的机械力学性能以及声子和电子在结构上的传输特性，结构应力与导热系数和导电系数直接相关。高精度和高空间分辨率与原位测量技术的结合确保纳米尺度结构应力、导热系数、导电率等参数同时得以原位的精确测量与表征，为建立纳米尺度下结构应力与导热系数和导电率的关系以及器件在力学、电学和热学等多物理场耦合作用下的性能评价提供可能。实现对微纳结构样品的应力、导热系数和导电率在同一位点和相同封装条件下的测量，可以避免样品不一致、约束条件变化对结构性能的影响，可精确评价结构应力对声子、电子输运的影响，验证纳尺度下Wiedemann-Franz定律的适用性。
3）界面热阻的高精度测量问题。界面问题在片上系统（System on Chip, SoC）、新兴二维材料半导体器件和三维芯片上表现尤为突出，其原因是界面热阻一直是芯片热管理的瓶颈问题。由于界面热阻的存在，界面热传导效率较低。造成该问题的因素有界面的弱相互作用和接触面积问题。界面是由机械堆垛而成，界面两边原子之间的相互作用力为范德华弱相互作用力，高频声子必须散射为低频声子后才能通过界面，因此界面热阻远大于热量在单一材料中的热阻。由于界面粗糙峰的存在， 2个物体的接触面积远小于名义接触面积。为了增大接触面积，界面热材料一般选择硬度特别小的聚合物材料。聚合物材料的导热系数一般为0:1 ∼ 3 W/(m·K)，远小于硅的导热系数100 W/(m·K)或金刚石的导热系数3 000 W/(m·K)。因此，寻找新的热界面材料是解决热障问题的一个有效途径[14]。
2 微区结构应变的测量与表征
经过30多年的发展，微纳结构应变的测量方法有微尺度拉伸、微梁、微纳米压痕、原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）、透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）、X射线衍射和微区拉曼。与其他几种方法相比，微区拉曼具有非接触、高分辨率和易于操作的优点，更为重要的是它易于实现热学、电学测量方案的集成。
拉曼显微镜的应用始于20世纪60年代激光器的发明[15–18]，主要应用于物理、化学等基础性学科。利用拉曼可以获取材料的声子谱、电子能态、电子–声子的相互作用、载流子浓度、杂质的构成和组份、晶格结构、晶格取向、温度和机械应变。文献 [19] 最早将拉曼应用于机械应变对晶格声子频率影响的研究。1980年拉曼被用来测量沉积在蓝宝石基底上的硅薄膜的应力[20]。日本三菱电子公司[21–22] 于1983年应用微区拉曼研究硅再结晶的晶格取向， 1987年又将拉曼应用到测量硅被刻蚀后沟槽周边的应力–应变分布[23–24]，空间分辨率达到1 µm，更为重要的是他们采用线扫描取代单点测量，从而实现对应力–应变场的测量。拉曼被证明能够用来测量硅材料的应力–应变分布之后，微区拉曼被广泛应用于对半导体器件、微纳器件的应力–应变测量。其测量材料也从硅材料扩展到类金刚石结构的材料（包括碳基材料、单晶硅和多晶硅），近年还实现了对纤锌矿型结构类材料（GaN， SiC等）的测量。应用拉曼可以研究金刚石薄膜的机械力学性能[25]、失效形式[26]、晶粒尺寸[27] 以及化学气相沉积工艺对金刚石薄膜残余应力的影响[28]。在微区拉曼的基础上，文献[29]利用2束不同波长的激光激发金刚石薄膜，实现对C—C键sp3和sp2的辨识。研究表明，当入射光的波长为224 nm时，T峰出现在1 100 cm−1位置，其强度和位置对sp3杂化共价键长异常敏感；当入射光波长为514 nm时，G峰对sp2杂化共价键长异常敏感。微区拉曼能测量硅薄膜的残余应力[30]、多孔硅的表面应力和裂纹区[31–32] 以及应力硅[33]，也可测量掺杂后结构的残余应变[34–35]。当硅掺杂到GaN薄膜上时，掺杂浓度越高，引起的残余应变就越大。微区拉曼在半导体异质结构器件的结构应力研究（包括对AlGaN/GaN[36]，SiC/Si[37]，Si/SiGe[38] 等的研究）中也取得了很好的效果。二维材料作为有望替代硅基材料的新一代材料，其研究也广泛使用微区拉曼。文献[38–40]发现石墨烯中的G振动模式和2D振动模式具有应变敏感性，但石墨烯中过多的载流子阻碍了石墨烯在硅衬底上对固有应变的直接光学表征；文献[41]证明可以通过拉曼光谱来定量表征、区分石墨烯中应力和载流子浓度对G振动模式和2D振动模式的影响；文献[42–43]采用拉曼光谱技术系统研究了多层石墨烯的层间剪切模式，认为拉曼峰位可以表征石墨烯的层间耦合强度，而且发现多层石墨烯的层间相对堆叠方位不同会导致拉曼强度的差异；文献 [44]利用拉曼光谱对材料应力和变形的敏感性，使用微拉曼光谱技术对纳米材料和结构的力学特性进行了系统的研究，发现随着石墨烯尺寸从厘米量级缩小到微米量级，石墨烯和PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂）基底之间的界面剪切应力增加了约2个数量级，并据此提出了界面应力的尺寸效应。
目前，微区拉曼被广泛应用于结构应力、应变的测量，其空间分辨率可以达到微米量级。随着微纳制造技术的发展，纳结构和低维结构已得到广泛使用，对应力、应变测量的空间分辨率要求愈来愈高。图1为拉曼技术发展历程的主要事件。1974年人们发现粗糙的金、银表面能够显著增强拉曼信号[45–46]。20世纪90年代，随着微纳制造技术的发展，不仅能够高效制备出表面能增强拉曼信号的金、银纳米颗粒或结构，也能通过电子束光刻实现颗粒之间纳米间隙的加工，可以将拉曼信号强度提高5 ∼ 7个量级。针尖增强拉曼原理与表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering, SERS）技术的局部电场增强原理类似。2000年发明的针尖增强拉曼散射（Tip EnhancedRaman Scattering, TERS）技术[47–48] 不仅克服了表面增强拉曼散射技术的多个缺点，它还有一个最显著的特点是在室温条件下可以极大地提高光谱探测的空间分辨率。针尖增强拉曼散射技术是一种非接触式的测试方法，测试时金/银纳米颗粒不与探测材料接触，而是固定在扫描探针针尖，可以避免杂质分子进入金/银纳米粒子的间隙产生干扰信号。当针尖与样品表面的距离在1 nm左右时，在激光照射下，针尖附近的电磁场和探测的拉曼信号能同时增强。针尖增强拉曼散射技术结合了扫描探针技术超高空间分辨率的特点以及表面拉曼散射技术超高灵敏度的特点，当针尖曲率半径为20 nm时，其典型的空间分辨率可以达到10 nm。因为增强的电场主要集中在探针针尖，所以可以通过进一步缩小针尖的直径来提高TERS技术的空间分辨率[49–50] 。
虽然目前已有一些其他的具有原子尺度分辨率的技术能够表征材料的表面形貌，但针尖增强拉曼散射技术能够同时对材料表面的结构、化学成分和形貌进行研究，具有非常广阔的应用前景。文献[51]使用针尖增强拉曼散射技术成功地识别了晶格常数差别只有0.044 Å的2种不同相的BaTiO3材料，而使用传统的高分辨透射电子显微镜和电子衍射技术就很难将它们区分开。得益于极高的空间分辨率和化学成键信息识别，针尖增强拉曼在材料缺陷测量与表征方面同样具有广阔的应用前景。2007年文献 [52] 证明了针尖增强拉曼可以在纳米尺度有效分析常规显微拉曼散射不能识别的氮化镓半导体薄膜晶相中的缺陷；2010年文献 [53]利用针尖增强拉曼实现了碳纳米管中缺陷的表征，空间分辨率在15 nm；文献[54]发现单层二硫化钨中缺陷会引起A1g模式的拉曼振动发生红移，拓展了针尖增强拉曼在二维材料缺陷表征中的应用。此外，针尖增强拉曼技术的高空间分辨率使得精确探测量子受限界面电子–声子耦合及空穴–声子耦合作用成为可能。文献 [55] 证明了针尖增强拉曼作为一种非常有效、全面和无损的检测工具在InGaN/GaN多量子阱纳米棒结构表征、应力测量及组分分析等方面的可靠应用；文献 [56]利用针尖增强拉曼对硅锗核壳纳米线进行研究，观察到了核壳界面处空穴–声子的耦合作用；文献 [57]在使用针尖增强拉曼散射技术探测石墨烯的缺陷时，其空间分辨率可以达到12 nm；文献[58] 采用扫描电子显微镜与拉曼显微镜构成针尖增强拉曼散射系统，实现了对化学反应过程中催化剂的活性位点空间分辨率为3nm的原位探测；2010年文献[59] 克服了传统拉曼增强技术必须使用金或银等粗糙表面和纳米粒子的弊端，提出采用超薄二氧化硅绝缘材料包覆金纳米颗粒来增强拉曼散射信号，研究显示这种方法能够使拉曼信号增强约4×108倍。共聚焦技术的应用将空间分辨率提高到微米量级[60–61]，借助针尖增强拉曼信号和纳米针尖高分辨率，针尖增强拉曼可以在纳米尺度实现对材料成分的分析、晶格应变的测量和生物分子空间结构的辨识[62–63]。文献[62]采用拉曼光谱技术与扫描隧道显微镜技术组成针尖增强拉曼系统，突破了光学成像手段中衍射极限的瓶颈，在国际上首次实现了0.5 nm分辨率的单分子光学拉曼成像。一些学者尝试采用针尖增强拉曼测量结构的应力和应变。2006年文献 [64]利用针尖增强拉曼观察到应力引起的拉曼波峰的移位，其空间分辨率达到纳米量级；文献 [65]首次将针尖增强拉曼技术应用到应变硅中局域应力的直接测量并将空间分辨率提高到50 nm以下；文献[66] 在使用针尖增强拉曼散射技术探测单根碳管的化学和拓扑信息时，通过主动施加应力的方式，在室温下实现了1.7 nm的空间分辨率；文献[67]将碳纳米管的针尖增强拉曼测量分辨率提高到了0.7 nm，并对单根纳米线上的缺陷和应力进行直接测量与表征，验证了在亚纳米尺度下利用针尖增强拉曼直接探测材料上局部缺陷和应力的可行性。
3 导热系数和界面热阻的测量
材料的导热系数和界面热阻是评价热量在材料和 界面处传输效率的重要物理量。在工程实际中，导热系数和界面热阻的高精度测量异常困难，因为热量传递的多种形式（热传导、对流和热辐射）给热隔离增加了难度。为了研究热量在微纳结构及界面的热传导机制，相继发展了热线法[68]、热桥法[69–70]、调制热反射法[71–73]、 3ω 技术[74–78]、拉曼法[4, 79–84]、瞬态热反射法[85–88] 以及瞬态热光栅[89–92] 等实验测量技术。
热线法是文献 [68]在1949年提出的液体热导率的电学测量方法（图2）。该方法利用直流电对均匀液体中的细直金属线加热，通过热电偶和温度计分别测出金属线温度及环境温度，最后利用傅里叶定律拟合出液体的热导率。这是利用电学测量方法对材料热学属性进行测量的初次尝试。1973年文献[93]对瞬态热线法进行了改进，使其同样适用于固体热导率的测量。然而，瞬态热线法有其固有的弊端：1）当采用金属丝对样品加热时，金属丝的截面积会使热导率的拟合存在一定的误差；2）在测量固体材料的热导率时，金属丝与样品的接触表面不可避免地会有空气或油污填充，大大降低了测量的精确度。因此，1979年文献[94]提出了瞬态热带法，将厚度为8 µm的超薄金属带紧紧贴合在样品表面，进而代替原有的金属丝，避免了由金属丝截面积及接触缺陷引起的测量误差。然而，瞬态热线法和瞬态热带法都是采用直流电对样品持续加热，样品的温度会随着时间的变化而不断变化，因而需要在极短的时间内采集数据以保证测量结果的准确度，这大大增加了实验采集数据的难度。1968年文献[95]在测量样品热容的实验中，另辟蹊径地采用交流电对样品加热，通过锁相放大器采集测量信号，将非稳态的时域测量转变为稳态的频域测量，使得实验的测量精度较其他电学测量方法提高了整整一个量级。
在热线法基础上发展起来的热桥法（图3）不仅可以用于材料导热系数的测量，也可以通过合理设计，用于界面热阻的测量[96]。热桥法是在基底上制作2片靠得很近的金属薄片，每一片既可以作为热传感器，也可以作为加热器。但是为了保证测量精度，必须保证声子的平均自由程远大于2片金属薄膜之间的距离，这就给样品的制作增加了难度。所以通常这套设备只适用于极低温度内的测量。
在热线法利用直流和交流电测量热导率的基础上，文献 [74] 于1987年首次提出了3ω测量方法（图4）。该方法采用交流电在频域内测量加热频率与温度的关系，是一种瞬态频域测量方法，克服了传统瞬态热线法以及瞬态热带法的弊端。另外， 3ω法因样品加热区域的面积小（区域宽度为5 ∼ 90 µm），在高频交流电下的热穿透深度低（约30 µm），因此能极大地减小样品表面由黑体辐射造成的测量误差，甚至能使该误差在1 000 K的测量温度下小于2%。3ω技术和热线法一样，都是通过测量温度的变化，结合样品的形状，推导出材料的热学特性。但这种电阻测量方式要求电极与样品紧密贴合，即使这样，测量的数据实际上仍包含电阻与热阻的影响[97]。另外，较低的测量频率（通常为5 Hz到200 kHz）导致热穿透深度高达几百微米，所以这种方法对界面热导并不敏感，不能精确地测量纳米尺度的界面热导。
光或热反射法（图5）利用材料的发射率对温度的敏感性来测量样品表面的温度，一束激光用来加热，另一束激光用来探测热响应。这种光热探测技术对材料的热学特性高度敏感，并且是非接触式、无损伤的高精度测量，因而被广泛采用[71, 98–105]。随着薄膜沉积技术的发展，薄膜沉积厚度在纳米尺度范围内的技术已经非常成熟，结合飞秒激光的应用，热反射法可以在时域、频率内实现对纳米薄膜热物性和界面热阻的测量。采用热反射法的典型设备的测量频率为MHz级，热穿透深度依赖调制频率，一般从纳米到几微米，所以可广泛用来测量材料的薄膜厚度[106–107]、固体热导率[108–112]、液体热导率[113]、热扩散率[86]、金属与非金属界面热导[87, 106, 109, 113–122]、金属与金属界面热导[123]、金属与液体界面热导[124]、材料热膨胀率[125–126]、声速[127] 等。飞秒激光脉冲宽度仅为几十飞秒到几百飞秒，加热速度非常快。利用这个特性，还可以研究电子与声子之间的热传递效率，即声子–电子耦合系数[128–130] 。
瞬态热光栅技术（图6）与热反射技术类似，也是非接触式、无损伤的高精度测量[89–91]。其具体机理是2束交叉的激光脉冲相互干涉，在样品表面形成正弦周期性的温度分布（热光栅），另外2束光用来探测样品表面的热响应，从而得到样品表面内的热导率。瞬态热光栅技术早期被广泛用来测量复杂结构的声学和力学特性[131]，近些年来被用于材料热属性的测量[89–92]。例如，文献[90]通过改变热光栅的周期重构了Si材料基于声子平均自由程的热导率累积函数。
随着微纳制造技术的迅速发展，微区拉曼（图7）也被广泛应用于低维材料导热系数的测量。这是因为非谐效应和声子–声子相互作用的存在会导致材料的拉曼散射峰的峰位和半峰宽随材料测量点的温度变化而变化[132]。半峰宽变化的原因可细分为其他声子参与贡献的非谐项和电子空穴对耦合项[133]。峰位变化的原因可细分为由热膨胀引起的准谐项和由声子–声子散射引起的非谐项，其中非谐项又包含三声子散射进程和四声子散射进程[79]。相较于半峰宽，峰位更多地被选作热学特性测量的特征参数，早在1970年文献[80]就使用峰位偏移估算硅晶体的热导率。随着微区拉曼的发展，一些学者尝试将拉曼激发光源同时作为材料的加热源。1999年文献[81]利用峰位偏移测定了多孔硅的热导率，其后该方法被广泛应用于ZnO纳米晶体[82]、 GaAs纳米线[83]、 CNT碳纳米管[84]、碲化铋薄膜[134] 以及基于金刚石基底的GaN薄膜[135] 等材料的热特性测量。该方法是基于光学的热学测量手段，无接触，损伤小，灵活可控，具有广泛的应用前景。
2008年， Balandin等人利用拉曼散射首次测定了二维材料石墨烯的热导率[4]，他们将石墨烯直接机械剥离在经刻蚀的二氧化硅槽上并假设石墨烯边缘较厚的石墨为热槽，温度与室温相同，假定石墨烯与空气间的界面热导为无穷大，这样热量就全部由石墨烯传递到热槽。然而该方法在测量细节上存在一些争议：1）采用非透明的基底材料导致该方法无法直接测量石墨烯对于特定波长激光的吸收系数。在这种情况下，该实验采用12%的吸收系数，但即使认为硅的反射系数较高，该值也远远高于其他文献中的2.3%；2）该实验通过低温下Raman光谱G峰的位置来估算石墨烯在加热情况下的温度，而热导率在低温和常温下存在较大误差；3）石墨烯和SiO2衬底的接触热阻被忽略。针对这些问题， Cai等人在2010年改良了该项技术，并测定了化学气相沉积的石墨烯导热系数[136]，他们将聚焦过的激光束斑照射到架设在通孔上的悬空石墨烯上，在石墨烯的下方放置功率计测定真实的石墨烯吸收率，并将该吸收率带入未悬空区域推算出接触热阻。但该方法依然存在着在低维材料微加工过程中常常出现的由有机物污染导致的热导率测定离散度大的问题[137]。
鉴于拉曼散射技术还能同时对材料表面的结构和掺杂程度等进行研究，具有极强的便捷性，因此该方法广泛应用在二维材料的研究中。文献 [138]和 [139]在2010年使用G峰峰位偏移成功地识别了不同气体环境下的石墨烯热导率变化，并在2012年利用面扫描技术结合G峰峰位偏移研究了褶皱对石墨烯热导率的影响。拉曼散射峰的峰形和峰位可以表征材料中的同位素、缺陷浓度等。2012年文献[140]研究了同位素浓度对石墨烯热导率的影响；2015年文献 [141]研究了氧缺陷浓度对石墨烯热导率的影响；2016年文献[142]研究了电子束照射引入的空穴缺陷浓度对石墨烯热导率的影响。随着二维材料的蓬勃发展，该方法也被广泛推广到各种新发现的二维材料中，如2013年文献[143]测定了数层MoS2， 2014年文献[144]测定了单层MoS2， 2015年文献[145]测定了WS2等的热导率。随后，结合拉曼峰形对材料各向异性的响应，文献 [146]成功研究了手性对黑磷热导率的影响。不可否认的是，目前利用微区拉曼散射研究材料热导率还存在着温度变化系数精确度较低、低维材料微加工过程中存在有机物污染、热辐射导致结果不精确等问题。然而，由于微区拉曼进行的热学性能测试都是基于原位的特性测量，因此它与材料结构变化、施加应变变化、电学掺杂变化、杨氏模量变化等的结合显得极有操作性，也具有极强的研究价值[147–157]。
综上所述，热线法、热桥法及3ω法均为接触测量，利用导电材料的热电效应，可以计算分析出不同材料的导热系数或界面热阻，区别在于适用测量对象的尺寸不同，热线法适用于体态材料的测量，而热桥法及3ω法适用于微纳尺度范围的材料。热反射法、热光栅法及拉曼法均为非接触测量，相比于接触测量的3种方法，非接触测量的精度及灵敏度更高，其中热光栅法适用于体态到微米范围内的材料测量，而热反射法及拉曼法适用于纳米尺度范围的材料测量。
4 结束语
由于半导体制造业的迅速发展，微纳制造技术将人类的制造能力推进到原子尺度，分子束外延、原子层沉积等技术的出现，使得原子尺度的微纳结构和器件的制造成为可能；计算机计算能力的大幅提高，使得从原子层次设计材料成为可能；低维结构的出现使材料科学、工程技术人员认识到结构的尺度效应和界面效应可以大幅提高材料的机械力学、热学和电学性能。因此，近年来，超原子材料的设计结合微纳制造，为寻找新材料、新结构提供了更加宽广的技术道路，也激励着材料科学、物理、化学、工程等多学科的交叉融合。
文章来源：
《后摩尔时代芯片结构材料的热设计与表征》
作者：雍国清1, 2，张 碧1，王永康1，胡长明2，陈云飞1
（1. 东南大学，江苏 南京 211189；2. 南京电子技术研究所，江苏 南京 210039）
DOI: 10.19659/j.issn.1008–5300.2021.05.001
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