物理学研究进展-声子输运和热导性质

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1、物理学前沿进展声子输运和热导性质近30年来，随着先进的制造技术的持续发展(例如分子束外延技术(MBE)、聚焦离子束光刻技术、无电镀水刻蚀技术(EE)、有机物化学汽相沉积(MOCVD)、纳米球珠光刻术、电子束曝光、气-液-固生成技术、超微细刻蚀技术以及栅控维度技术等等)，电子器件的几何尺寸正以超乎寻常的速度向超精细、超小型化方向发展。这些纳米级别加工技术的不断发展，给微电子技术带来革命性的影响，从微米级发展到纳米级。低维纳米尺度器件有着体材料器件无法比拟的优良特性：低能耗，低耗材，高集成，高速度等等。早在1959年，美国物理学家Fe

2、yneman突发奇想：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生什么样的奇迹呢?”。他的这一设想直到70年代才引起人们的重视。在20世纪70年代，日本科学家Taniguchi等首次引用纳米概念，随后，这一概念为学术界所接受并迅速发展起来。而Feyneman的梦想也终于在20世纪80年代，随着扫描隧道显微镜的出现而变成现实，这种显微镜不仅能直接看到原子、分子，而且能够按照自己的意愿排列原子和分子。在1989年下半年，美国IBM公司的科学家用扫描隧道显微镜在镍晶体表面移动原子，写成由35个原子排列成的“IBM”三个字母。在20

3、01年6月，《科学》杂志报道了杨陪东研究组在只及人类头发丝的千分之一的纳米导线上制造出了世界上最小的激光：纳米激光器，这一发明将有可能用于以后的光子计算机，如果这种计算机开发成功，将导致其存储器件的存储密度要比目前的磁盘高出1亿倍。同年，日本科学家青野正和等制成直径在2纳米、长度从2纳米到300纳米的导线，他的成果实现了人类操纵原子分子组合物质的梦想。利用对单个原子、分子的操纵技术，从而实现制造以分子、原子为信息单位的光子芯片和生物芯片成为可能，为真正的智能计算机的问世扫清障碍。随着这些越来越完善的微加工技术，人们可以按照需要制造

4、各种具有特异功能的纳米薄膜、纳米线、纳米管、超晶格、纳米颗粒等。这些纳米材料和结构能实现体材料和宏观器件所没有的独特的物理性质，例如能带人工裁剪、共振隧穿、库仑阻塞和弹道输运等，开辟了人们认识自然的新层次。作为物理学分支的一朵奇葩，低维量子体系正以无穷的魅力吸引着世界上许许多多的研究人员投入其中。纳米科学技术的迅速发展引发了人类对客观世界认识的革命，已成为新技术、新器件的一个重要研究分支，在当今世界的高新科技领域起着关键性的不可替代的作用，很有可能掀起一场新的工业革命，成为21世纪经济发展的主要动力。由于纳米科技诱人的发展前景，为

5、了抢占先机，世界各国纷纷加大投入力度，实施纳米科技的开发计划。美国早在1991年就制定了纳米技术研究计划，从1999年开始，又把纳米科技列为21世纪前10年11个关键领域之一。在2003年，美国国会通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，将纳米技术列为美国的重大研发计划。日本政府一贯支持纳米科技的研究与开发，积极推进包括从基础到实用性的纳米技术研发。日本的各大企业也组建相应的研发中心，加大了包括从人力、物力、财力方面的投入。欧盟也对纳米技术的给予了空前的重视，将纳米技术确定为最优先的领域，仅在2006年至2007年就安排了13亿欧

6、元用于相关的研究。我国对纳米技术也保持高度的重视，2006年，我国制定的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》将纳米科学列入了这段时期内基础科学研究的4个主要方向之一，将纳米材料和纳米器件作为发展先进材料的重点目标。纳米技术做为当代高科技发展的一个重要方向，为科学技术和社会发展带来了许多机遇，也面临着许多挑战。例如：当纳米器件的特征尺寸达到纳米尺度时，器件的大小与许多物理量的特征长度（如电子的德布洛意波长，弹性声子的波长，铁磁性临界尺寸等）相当，量子效应、界面效应、边界效应将导致导致器件的性能发生突变，使纳米尺

7、度体系的物理以及化学性质不同于宏观物体，适合于宏观体系的许多理论、规律等不再适用于纳米尺度体系，需要建立新的理论描述纳米尺度体系下的物理规律。到目前为止，在纳米尺度上还有大量原理性问题尚待研究解决。同时，随着器件持续微型化的趋势的发展，普通制造技术的精度将很快达到基本物理极限，制作工艺将不再适用，如传统的激光刻蚀技术在器件尺寸小于激光波长时会失效；而新的纳米技术从实验到大规模的开发还受到很多现实条件的约束。所以，纳米技术从研究到大规模的应用还有很长的路要走。随着器件尺寸的缩小和集成电路密度的提高，在电子器件的加工和运行过程中，使得

8、器件单位面积所产生的热量增加，这样会导致很多的不利影响，例如：纳米器件的机械性质、电子迁移、电子封装、以及器件的使用寿命发生很大的变化，从而需要高的热导加速传热。而有的材料工作时确需要低的热导，例如热电子材料。虽然对热输运性质的研究已经取得巨大进展