【ZiDongHua之“自動化學院派”收錄關(guān)鍵詞：北京大學  微機電系統(tǒng)MEMS  科研儀器    】
 
　　科研|工學院宋柏研究員團隊建立Big-MEMS熱測量新方法
 
　　近幾十年來，各種微機電系統(tǒng)（MEMS）的快速發(fā)展為微納米尺度熱輸運的精密測量奠定了新基石，提供了前所未有的便利性和可能性，其應用范圍甚至涵蓋了亞納米特征尺度的單壁碳納米管和單原子層石墨烯等多種顛覆性材料。然而，許多至少在某一維度上達到宏觀尺度（毫米及以上）的材料，比如金屬絲、碳纖維和聚合物纖維/薄膜等，仍然難以通過基于MEMS的實驗方法進行研究。鑒于這些宏觀材料在基礎(chǔ)科學和技術(shù)應用中的巨大價值，以及現(xiàn)有實驗方法和商業(yè)設(shè)備存在的諸多局限和挑戰(zhàn)，北京大學宋柏研究員團隊于2023年初提出Big-MEMS熱測量新概念，以填補這一顯著的研究空白。
 
 
　　圖1：Big-MEMS熱測量方法示意圖[1]
 
　　Big-MEMS概念的核心是基于標準的MEMS工藝設(shè)計制造出適用于宏觀尺度樣品的熱測量器件，從而根本性地拓展熱測量能力。作為示范，研究團隊開發(fā)了一種新穎的工藝流程，能夠可靠、可重構(gòu)、模塊化且低成本地制造出尺寸在毫米至厘米級別的硅基懸空加熱/量熱器件（圖1和圖2）。
 
 
　　圖2：硅基Big-MEMS器件掃描電子顯微鏡照片[1]
 
　　這些Big-MEMS器件具有顯著優(yōu)勢：其懸空梁的熱導可在約0.2至1.1 mW/K之間靈活調(diào)節(jié)；同時具備低至約20μK的溫度分辨率，使其能夠適用于表征熱導率范圍廣泛的各類材料（圖3）。在驗證實驗中，研究人員成功測量了直徑為20微米、長度達3.5毫米的鉑金屬絲的熱導率，測量值（70.9±1.6 Wm-1K-1）與文獻值（71.7 Wm-1K-1）高度吻合。這一結(jié)果初步展示了Big-MEMS技術(shù)在宏觀樣品熱輸運精密測量方面的獨特能力。
 
 
　　圖3：硅基Big-MEMS器件基本量熱表征[1]
 
　　在此基礎(chǔ)上，團隊進一步發(fā)掘Big-MEMS在高熱導率乃至超高熱導率（>1000 Wm-1K-1）材料測試中的應用潛力。高熱導率材料是傳熱學研究的焦點，在芯片散熱等重大需求領(lǐng)域以及高階聲子散射等熱輸運機理的前沿探索中占據(jù)核心地位。然而，高熱導率的精確測量長期存在諸多挑戰(zhàn)，關(guān)鍵因素包括相對較高的接觸熱阻以及高熱導樣品內(nèi)部較小的溫差等。盡管時域熱反射、頻域熱反射以及瞬態(tài)熱光柵等各類激光泵浦探測技術(shù)已被成功應用于多種超高熱導率材料的表征（如金剛石、立方砷化硼、同位素純化的立方氮化硼），但其微區(qū)測量的特點仍然限制了研究人員對宏觀樣品整體熱物性的認識。
 
　　針對上述挑戰(zhàn)與局限，宋柏團隊首先創(chuàng)新性地設(shè)計制造出氮化硅基的Big-MEMS器件，從而大幅降低（約三個數(shù)量級）懸空梁自身的熱導；與此同時，發(fā)展了多點加熱/量熱（multiprobe）的測試方法，最終實現(xiàn)了多種典型高熱導率材料的準確測量（圖4）。
 
　　為驗證該方法的可靠性，團隊首先對毫米長度的鉑絲、金絲和銀絲的室溫熱導率進行表征，實驗數(shù)值（分別為69.5±1.7、313.3±15.7、422.0±13.6 Wm-1K-1）與文獻數(shù)值（71.7、317、429 Wm-1K-1）高度吻合。進一步，在本征硅的變溫實驗中，團隊在80 K左右的低溫區(qū)測量得到了超過1000 Wm-1K-1的超高熱導率數(shù)值，并且在整個溫區(qū)與文獻值高度一致（圖5）。這一系列結(jié)果充分凸顯了Big-MEMS方法在熱輸運精密測量領(lǐng)域的重要價值。
 
　　Big-MEMS概念原則上還可以拓展應用到熱擴散率、比熱乃至電荷輸運等更為廣泛的測量對象，在諸如低維材料發(fā)散熱導率以及表面電磁模式熱傳導等奇異輸運機制的探索中提供獨特的實驗支撐。綜上所述，該研究進展既有望推動先進熱功能材料和熱管理技術(shù)的發(fā)展，同時對于基礎(chǔ)科學探索也具有重要意義。
 
　　相關(guān)成果近期分別以“Big Micro-Electromechanical Systems for Thermal Measurement”和“Big-MEMS for high thermal conductivity measurement”為題發(fā)表于國際傳熱學頂刊《ASME Journal of Heat and Mass Transfer》（Special Issue celebrating Prof.Gang Chen’s 60th birthday）以及專注實驗方法與科研儀器的經(jīng)典期刊《Review of Scientific Instruments》。宋柏團隊博士生何海宇（已畢業(yè)）為兩篇文章的第一作者，博士后王毓熙分別為共同第一和共同通訊作者，參與作者還包括博士生江智耀。感謝國家自然科學基金委面上項目、科技部國家重點研發(fā)計劃、新基石科學基金會“科學探索獎”，以及北京大學微米納米加工技術(shù)全國重點實驗室的大力支持。