超高温陶瓷超晶格的热传输特性

纳米 化学 无机非金属材料 材料学
超高温陶瓷 超晶格 热传导 界面热阻 热稳定性

学术背景

在高温热绝缘和热电材料的设计中，降低热导率是一个关键目标。超晶格（Superlattice, SL）结构通过交替堆叠不同材料层，能够有效抑制声子（phonon）的热传输，从而显著降低材料的热导率。这一特性使得超晶格在热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）和热电材料中具有重要应用前景。然而，超高温陶瓷（Ultra-High-Temperature Ceramics, UHTCs）在极端环境下的热传输特性及其超晶格结构的设计仍存在许多未解之谜。尤其是过渡金属碳化物（如HfC和TaC）因其高熔点和结构稳定性，成为高温应用的理想候选材料。然而，关于HfC/TaC超晶格的热导率及其界面热阻的研究仍较为有限。

本研究旨在通过实验探究HfC/TaC超晶格的热传输特性，特别是界面间距对热导率的影响，并揭示其声子和电子在热传输中的贡献。此外，研究还评估了超晶格在高温环境下的热稳定性，并提出了抗氧化保护层的设计，为超高温热绝缘和热电材料的开发提供了新的思路。

论文来源

本论文由Xin Liang和Shuhang Yang共同撰写，分别来自北京化工大学材料科学与工程学院、中国科学院北京纳米能源与系统研究所和中国科学院大学纳米科学与工程学院。论文于2025年4月15日发表在Applied Physics Letters期刊上，题为《Thermal Transport Properties of Ultra-High-Temperature Ceramic Superlattices》，DOI为10.1063⁄5.0263593。

研究流程与结果

1. 超晶格样品的制备与结构表征

研究首先设计了HfC/TaC超晶格样品，其周期单元由等厚度的HfC和TaC层交替堆叠而成。通过调整每层的厚度，界面间距（dsl）从9.5 nm到84.5 nm不等。所有样品的总厚度保持恒定（约600 nm），以排除样品边界散射效应对热导率测量的影响。样品采用非反应磁控溅射法在硅基底上生长，并通过X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）对其结构进行了详细表征。

XRD分析表明，HfC和TaC单层薄膜均具有面心立方（FCC）结构，且沿（111）晶面优先生长。TEM图像和元素分布分析进一步证实了超晶格结构的周期性堆叠，界面间距与设计值基本一致。此外，高分辨率TEM图像显示，超晶格界面存在缺陷，且晶粒尺寸仅为几纳米。

2. 热导率测量与界面热阻分析

研究采用时域热反射法（Time-Domain Thermoreflectance, TDTR）测量了超晶格的垂直热导率（κ）。结果显示，热导率随界面间距的变化呈现交叉依赖性：当界面间距从84 nm减小到31 nm时，热导率逐渐降低；但当界面间距进一步减小时，热导率反而上升。在31 nm的界面间距下，声子热导率达到最小值0.84 W/m·K，显示出HfC/TaC超晶格在热绝缘应用中的潜力。

此外，研究还通过制备单界面双层样品，测定了HfC/TaC界面的热阻（Rk），并分解了声子和电子对界面热阻的贡献。结果表明，HfC/TaC界面的声子热阻远高于电子热阻，这主要归因于界面缺陷引起的强烈声子散射。

3. 高温稳定性与抗氧化保护层设计

为评估超晶格在高温环境下的稳定性，研究对样品在1200°C的空气中进行了热处理。结果显示，未经保护的样品在热处理后热导率显著上升，且超晶格结构逐渐消失，形成了类似砖块的结构。通过XRD和STEM-EDS分析，证实了样品内部发生了明显的氧化反应。

为抑制氧化，研究设计了一层约20 nm厚的HfO2保护层。实验表明，HfO2保护层有效阻止了氧的扩散，显著降低了样品内部的氧浓度，并保留了超晶格的低热导率特性。热处理后，带保护层的样品热导率仅从1.88 W/m·K上升到2.71 W/m·K，接近原始样品的水平。

结论与意义

本研究通过实验揭示了HfC/TaC超晶格的热传输特性及其界面间距的依赖关系，首次报道了超晶格在小界面间距下热导率高于组成材料的现象。研究还定量测定了HfC/TaC界面的热阻，并揭示了声子和电子在热传输中的不同贡献。此外，设计的HfO2保护层有效提高了超晶格的高温稳定性，为超高温热绝缘和热电材料的开发提供了重要参考。

研究亮点

  1. 界面间距依赖的热导率：首次发现HfC/TaC超晶格的热导率随界面间距的变化呈现交叉依赖性，并揭示了其背后的声子传输机制。
  2. 界面热阻的定量分析：通过实验测定了HfC/TaC界面的热阻，并分解了声子和电子的贡献，为理解超晶格的热传输机制提供了新的视角。
  3. 高温稳定性与抗氧化设计：设计的HfO2保护层有效抑制了超晶格在高温环境下的氧化，为超高温应用提供了可行的解决方案。

其他有价值的信息

研究还提供了详细的实验数据和结构表征结果，包括XRD、TEM、STEM-EDS等分析，为后续研究提供了丰富的参考。此外，论文还讨论了超晶格在热电材料中的潜在应用，为进一步研究指明了方向。

通过本研究，不仅深化了对超晶格热传输机制的理解，还为高温热绝缘和热电材料的设计提供了新的思路和方法。