同位素化 hBN 中极高的纵向热导率与非漫散热传输

为什么在平面晶体中移动热量很重要

随着我们的手机、计算机以及未来的量子器件变得更小、更强大，将热量从微小电路中移走成为一项核心工程挑战。这项研究探索了一种不寻常的超薄晶体——六方氮化硼（hBN），它在保持优异电绝缘性的同时能沿表面非常有效地传导热量。通过观察热量如何在悬挂的、几乎纯净的 hBN 条带中实际流动，作者发现了创纪录的高热传导率以及一些打破教科书中常规规则的令人惊讶的行为。

由洁净原子构成的平面热高速公路

所有固体都通过原子振动（称为声子）来传递热量。在大多数情况下，这些振动行为类似于一群人随机碰撞，导致从热到冷的温度梯度呈平滑、可预测的衰减。研究团队关注的是一种几乎完全由一种硼同位素（10B）构成的特别 hBN 版本，这减少了晶体中的质量无序。更清洁的原子结构使声子在散射之前能走得更远，从而将材料变成一种热的超级高速公路。因为 hBN 还是一种优良的电绝缘体，它成为在不传导电流的情况下从精密电子和光学器件安全地抽取热量的有吸引力的候选材料。

构建微小热桥并测量其温度

为了探测该材料传热的能力，研究人员构建了微观桥结构：两根硅“臂”在小间隙两侧相对，薄的 hBN 异质结构与单层半导体（WSe2）悬挂其间。一根硅臂通电加热，形成高温一侧，而另一根保持较冷，作为散热端。团队随后将聚焦激光扫描过器件，并读取散射光颜色的细微位移（拉曼光谱），这些位移对温度非常敏感。巧妙的校准表明 WSe2 层可作为对下面更厚 hBN 的准确温度计，使他们能够重建沿着和横向穿过悬挂条带的详细温度图。

你实际上需要多少个温度点

纳米结构中的热流测量极易被误解，尤其是在只记录少数几个温度时。作者先在薄石墨上验证了他们的方法，然后在基于 hBN 的器件上进行比较，将实验温度剖面与详细的计算机模拟对比。他们证明仅用两个测点可能会错过重要效应，特别是在接触和界面处。结合有限元建模的六点策略足以捕捉完整的温度分布并可靠地提取面内热导率。采用这一改进方法，他们报告了悬挂单同位素 hBN 在室温下约 1650 W·m⁻¹·K⁻¹ 的极高热导率——高于大多数早期报道的数值，并可与一些已知的顶级导热材料相媲美。

当热量不再像简单扩散那样表现时

在建立了该技术之后，作者将其推进到更极端的条件：使用更薄的 hBN 片和沿桥更大的温差。在较高的整体温度下，悬挂区域的温度剖面几乎是一条直线，正如普通扩散理论（傅里叶定律）所预测的那样。但当他们将热点温度降低到某个范围时，剖面发生弯曲：条带的大片段保持近乎恒定的温度，然后在极短距离内急剧下降，有时甚至比邻近的接触处更冷。类似的异常也出现在薄片的宽度方向上，温度在边缘附近形成峰值而非在中心。这些形状无法用简单的热扩散（像墨水在水中扩散）来解释；相反，这表明声子开始集体运动，表现出类流体的流动性，使得局部热流和有效导热率依赖于位置与几何形状。

这对未来散热电子学意味着什么

通过以高空间分辨率直接绘制温度图，本工作表明悬挂的、同位素纯净的 hBN 在极高效率传热的同时，也能支持非经典的、非漫散的热传输。对于日常器件设计者而言，主要结论是：在精心设计的二维材料中，通常用单一数字表征的热导率可能失效——热量可能不会沿着直线、可预测地扩散。对更广泛的学界而言，这些发现表明需要新的理论来描述当声子更多地像有序流体而非随机气体时热如何流动。这类行为最终可能被用来实现“热逻辑”元件——二极管、阀门和开关，按需引导热流，为下一代纳米电子学提供一种新的温度控制途径。

引用: Brochard-Richard, C., Di Berardino, G., Herth, E. et al. Extreme longitudinal thermal conductivity and non-diffusive heat transport in isotopic hBN. Nat Commun 17, 3352 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69907-x

关键词: 六方氮化硼, 热导率, 声子流体力学, 拉曼热测量, 二维材料