上海交通大学、清华大学和香港城市大学团队在《Science Advances》发表研究成果，提出以梯度界面分布打破平移对称性，协同调控热电多层膜中的声子与载流子输运。
研究内容
传统周期多层膜的界面间距高度均一，声子抑制往往集中于有限波段，同时还可能牺牲电输运。研究团队构筑总厚度300 nm的Bi₂Te₃/金属（Au、Ag、Pt）多层膜：梯度结构中的金属层按5、10和15 nm分布，并设置金属层厚度固定为10或5 nm的均匀结构作为对照，以考察“界面分布”对跨平面传热和面内载流子输运的影响。
TDTR设备的作用
研究采用AUTINST（昊远精测）Pioneer-ONE TDTR系统，在室温下直接测量各类薄膜的跨平面热导率。系统使用1064 nm、80 MHz、80 fs脉冲激光，单脉冲能量25 nJ，调制频率1 MHz；样品表面沉积100 nm Al换能层，通过拟合热反射延迟信号提取跨平面热导率。为验证测量可靠性，团队先测试300 nm SiO₂标准样品，得到1.4 W/(m·K)，与室温文献值一致。Pioneer-ONE TDTR系统随后对不同金属和界面分布的样品进行同平台比较，为识别梯度结构带来的额外降热导效果提供了直接实验依据。
研究成果
Pioneer-ONE TDTR系统测得结果显示，在Au、Ag和Pt三类体系中，梯度结构相较均匀结构均使跨平面热导率进一步降低30%～40%。其中，梯度Bi₂Te₃/Pt多层膜低至0.22 W/(m·K)，较均匀结构、高Bi₂Te₃占比多层膜和Bi₂Te₃薄膜分别降低约40%、64%和87%。结合电输运测试、结构表征及模拟，研究将这一结果归因于梯度界面破坏平移对称性，使界面散射、相干干涉和声子局域化共同抑制宽频声子输运。该材料室温跨平面ZT达到1.51；面内功率因子达到176.2 μW/(cm·K²)，面内ZT为0.91，较同成分均匀结构提高122%。
结论与设备价值
研究表明，多层膜热输运调控不只取决于材料组合和界面数量，界面厚度的统计分布同样是关键设计变量。Pioneer-ONE TDTR系统以可比、可验证的跨平面热导率数据，量化了梯度界面相对均匀界面的优势，为热电薄膜、片上制冷及柔性能量收集材料的界面结构筛选提供了关键测量工具。
文章链接：Regulating phonon- carrier transport by interfacial symmetry breaking in thermoelectric multilayers
