北京大学工学院宋柏研究员团队建立Big-MEMS热测量新方法

近几十年来，各种微机电系统（MEMS）的快速发展为微纳米尺度热输运的精密测量奠定了新基石，并提供了前所未有的便利性和可能性，其应用范围甚至涵盖了亚纳米特征尺度的单壁碳纳米管和单原子层石墨烯等多种颠覆性材料。然而，许多至少在某一维度上达到宏观尺度（毫米及以上）的材料，比如金属丝、碳纤维和聚合物纤维/薄膜等，仍然难以通过基于MEMS的实验方法进行研究。鉴于这些宏观材料在基础科学和技术应用中的巨大价值以及现有实验方法和商业设备存在的诸多局限和挑战，北京大学宋柏研究员团队于2023年初提出Big-MEMS热测量新概念，以填补这一显著的研究空白。

图1 Big-MEMS热测量方法示意图

Big-MEMS概念的核心是基于标准的MEMS工艺设计制造出适用于宏观尺度样品的热测量器件，从而根本性地拓展热测量能力。作为示范，研究团队开发了一种新颖的工艺流程，能够可靠、可重构、模块化且低成本地制造出尺寸在毫米至厘米级别的硅基悬空加热/量热器件（图1和图2）。

图2 硅基Big-MEMS器件扫描电子显微镜照片

这些Big-MEMS器件具有显著优势：其悬空梁的热导可在约0.2至1.1mW/K之间灵活调节，同时具备低至约20μK的温度分辨率，使其能够适用于表征热导率范围广泛的各类材料（图3）。在验证实验中，研究人员成功测量了直径为20微米、长度达3.5毫米的铂金属丝的热导率，测量值（70.9±1.6Wm^-1K^-1）与文献值（71.7Wm^-1K^-1）高度吻合。这一结果初步展示了Big-MEMS技术在宏观样品热输运精密测量方面的独特能力。

图3 硅基Big-MEMS器件基本量热表征

在此基础上，团队进一步发掘Big-MEMS在高热导率乃至超高热导率（>1000Wm^-1K^-1）材料测试中的应用潜力。高热导率材料是传热学研究的焦点，在芯片散热等重大需求领域以及高阶声子散射等热输运机理的前沿探索中占据核心地位。然而，高热导率的精确测量长期存在诸多挑战，关键因素包括相对较高的接触热阻以及高热导样品内部较小的温差等。尽管时域热反射、频域热反射以及瞬态热光栅等各类激光泵浦探测技术已被成功应用于多种超高热导率材料的表征（如金刚石、立方砷化硼、同位素纯化的立方氮化硼），但其微区测量的特点仍然限制了研究人员对宏观样品整体热物性的认识。

针对上述挑战与局限，宋柏团队创新性地设计制造出氮化硅基的Big-MEMS器件，从而大幅降低（约三个数量级）悬空梁自身的热导。与此同时，团队还发展了多点加热/量热（multiprobe）的测试方法，最终实现了多种典型高热导率材料的准确测量（图4）。

图4 高热导率量热测试示意图

为验证该方法的可靠性，团队首先对毫米长度的铂丝、金丝和银丝的室温热导率进行表征，实验数值（分别为69.5±1.7、313.3±15.7、422.0±13.6Wm^-1K^-1）与文献数值（71.7、317、429Wm^-1K^-1）高度吻合。进一步，在本征硅的变温实验中，团队在80K左右的低温区测量得到了超过1000Wm^-1K^-1的超高热导率数值，并且在整个温区与文献值高度一致（图5）。这一系列结果充分凸显了Big-MEMS方法在热输运精密测量领域的重要价值。

图5 本征硅热导率测试

Big-MEMS概念原则上还可以拓展应用到热扩散率、比热乃至电荷输运等更为广泛的测量对象，在诸如低维材料发散热导率以及表面电磁模式热传导等奇异输运机制的探索中提供独特的实验支撑。综上所述，该研究进展既有望推动先进热功能材料和热管理技术的发展，同时对基础科学探索也具有重要意义。

相关成果近期分别以“Big Micro-Electromechanical Systems for Thermal Measurement”和“Big-MEMS for high thermal conductivity measurement”为题发表于国际传热学顶刊ASME Journal of Heat and Mass Transfer（Special Issue celebrating Prof. Gang Chen’ s 60th birthday）以及专注实验方法与科研仪器的经典期刊Review of Scientific Instruments。宋柏团队博士生何海宇（已毕业）为两篇文章的第一作者，博士后王毓熙分别为共同第一作者和共同通讯作者，参与作者还包括博士生江智耀。成果得到了国家自然科学基金委面上项目、科技部国家重点研发计划、新基石科学基金会“科学探索奖”以及北京大学微米纳米加工技术全国重点实验室的大力支持。