來源：Journal of Applied Physics

鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0280896 

背景介紹

隨著電子器件持續向微型化、高集成度和高功率密度方向發展，器件內部的熱管理問題逐漸成為制約其性能提升和可靠性保障的關鍵因素。微納尺度下的熱傳導行為往往顯著偏離傳統的傅里葉定律，這主要受到諸如聲子界面散射、邊界限制、量子效應等非經典熱輸運機制的影響。同時，新興材料體系（如石墨烯、過渡金屬硫化物、黑磷、MXenes等）由于具有高度各向異性和層間耦合特性，其熱性能在微觀結構層面表現出極大的空間非均勻性。因此，發展能夠以高空間分辨率和高靈敏度準確測量材料局部熱性質的表征手段，成為當前納米熱科學領域的核心需求。

掃描熱顯微技術（Scanning Thermal Microscopy, SThM）是一種基于掃描探針顯微鏡（SPM）平臺的熱測量方法，通過在探針端集成熱敏元件（如熱電偶、電阻溫度計等），實現對樣品表面熱導率或溫度的納米尺度空間成像。SThM 既具備接觸式測量的高靈敏度優勢，又能實現與形貌同步的熱圖譜獲取，特別適用于分析異質、多相、各向異性材料中的局部熱傳導行為。SThM 在實際應用中面臨一個核心挑戰：如何將探針所測得的電信號（如電壓、電流等）準確地轉化為具有物理意義的熱參數（如熱導率、表面溫度等）。

成果掠影

近日，清華大學曹炳陽教授團隊（第一作者為清華大學訪問學者李一凡，現為上海第二工業大學副教授）系統梳理了基于SThM的定量測量領域的代表性研究工作。從理論模型，校準策略到儀器集成三個方面對20年來的發展進行了系統總結。理論建模方面，文章詳述了探針-樣品界面多路徑熱傳導機制，包括氣體熱導、水膜導熱、機械接觸導熱與近場熱輻射，并對各類熱阻建模方法進行了系統的歸納總結。校準技術方面，系統歸納了隱式（ITEC）與顯式（ETEC）建模方法、雙掃描技術（Double-scan）與零點法（Null-point）等策略，明確了各方法在樣品熱導率測量與表面溫度重構中的適用場景與精度優勢。儀器集成方面，文章介紹了3ω-SThM、基于MEMS的熱平臺和分布式熱敏探針等集成結構。此外，作者還展望了SThM未來的發展趨勢，包括多物理量協同測量體系的構建、基于機器學習的定量反演方法等新興方向。研究成果以“Quantitative measurements in scanning thermal microscopy: Theoretical models, calibration technique, and integrated instrument”為題發表在《Journal of Applied Physics》期刊上。

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