来源：Journal of Applied Physics

链接：https://doi.org/10.1063/5.0280896 

背景介绍

随着电子器件持续向微型化、高集成度和高功率密度方向发展，器件内部的热管理问题逐渐成为制约其性能提升和可靠性保障的关键因素。微纳尺度下的热传导行为往往显著偏离传统的傅里叶定律，这主要受到诸如声子界面散射、边界限制、量子效应等非经典热输运机制的影响。同时，新兴材料体系（如石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷、MXenes等）由于具有高度各向异性和层间耦合特性，其热性能在微观结构层面表现出极大的空间非均匀性。因此，发展能够以高空间分辨率和高灵敏度准确测量材料局部热性质的表征手段，成为当前纳米热科学领域的核心需求。

扫描热显微技术（Scanning Thermal Microscopy, SThM）是一种基于扫描探针显微镜（SPM）平台的热测量方法，通过在探针端集成热敏元件（如热电偶、电阻温度计等），实现对样品表面热导率或温度的纳米尺度空间成像。SThM 既具备接触式测量的高灵敏度优势，又能实现与形貌同步的热图谱获取，特别适用于分析异质、多相、各向异性材料中的局部热传导行为。SThM 在实际应用中面临一个核心挑战：如何将探针所测得的电信号（如电压、电流等）准确地转化为具有物理意义的热参数（如热导率、表面温度等）。

成果掠影

近日，清华大学曹炳阳教授团队（第一作者为清华大学访问学者李一凡，现为上海第二工业大学副教授）系统梳理了基于SThM的定量测量领域的代表性研究工作。从理论模型，校准策略到仪器集成三个方面对20年来的发展进行了系统总结。理论建模方面，文章详述了探针-样品界面多路径热传导机制，包括气体热导、水膜导热、机械接触导热与近场热辐射，并对各类热阻建模方法进行了系统的归纳总结。校准技术方面，系统归纳了隐式（ITEC）与显式（ETEC）建模方法、双扫描技术（Double-scan）与零点法（Null-point）等策略，明确了各方法在样品热导率测量与表面温度重构中的适用场景与精度优势。仪器集成方面，文章介绍了3ω-SThM、基于MEMS的热平台和分布式热敏探针等集成结构。此外，作者还展望了SThM未来的发展趋势，包括多物理量协同测量体系的构建、基于机器学习的定量反演方法等新兴方向。研究成果以“Quantitative measurements in scanning thermal microscopy: Theoretical models, calibration technique, and integrated instrument”为题发表在《Journal of Applied Physics》期刊上。

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