n型硅热流的光学调控及其热弹性光声响应机制研究

研究人员针对半导体材料热管理难题，通过调控n型硅的光吸收系数(β)和自由载流子浓度，建立了光热转换与热弹性光声信号(δpTE)的关联模型。研究发现通过改变光源波长可调控热流方向，并在特定调制频率下实现热流停滞，为微电子器件热设计提供了新思路。该成果发表于《Results in Engineering》。

　　

在微电子器件日益小型化的今天，半导体材料的热管理已成为制约器件性能的关键瓶颈。n型硅作为核心半导体材料，其内部热流方向与强度的精准调控一直是个棘手难题。传统机械干预方法如表面改性和薄膜沉积，不仅操作复杂，还会改变材料本征特性。D.K. Markushev团队另辟蹊径，发现通过"光学剪刀"——即调节入射光波长这一非接触手段，就能实现热流的精准操控。

研究团队创新性地将光声检测技术与热传导理论相结合，建立了包含自由载流子效应的复合活塞理论模型。通过数值模拟和实验验证，系统研究了三种典型波长（660nm红光、755nm和880nm红外光）照射下，40μm薄硅片的热传输特性。关键技术包括：1）采用开放式光声池测量系统获取热弹性光声信号(δp_TE)；2）建立包含热化分量(T_therm)和表面复合分量(T_sr)的温度场解析模型；3）通过调制频率扫描(1Hz-10⁷Hz)分析热流动力学。

【理论模型构建】

研究基于抛物线热传导方程(PHCE)，推导出温度分布T_s(x)的解析解，包含两个关键分量：反映光热直接转换的T_therm和源于载流子表面复合的T_sr。通过机械活塞模型，建立了温度场与光声信号δp_TE(jω)的定量关系，其中复数形式的温度差ΔT_s成为调控热流方向的核心参数。

【波长依赖的热流反转】

在660nm红光照射下(β₁l=10.32)，热化分量主导低温区热流，产生标准的热弹性响应曲线。当改用755nm红外光(β₂l=5)时，表面复合效应增强，导致ΔT_s在特定频率下反转符号，热弹性响应曲线出现特征峰。而880nm近带隙光(β₃l=1.53)照射时，样品趋近光学透明，表面复合效应完全主导热流，使响应曲线回归标准形态。

【热流停滞现象】

研究发现当ΔT_s通过零点时，虽然光照持续产生载流子和热量，但样品两侧温度达到瞬时平衡，实现热流的"光学冻结"。这种效应在βl≈5时最为显著，对应755nm波长条件，为器件热管理提供了可调控的"光学热开关"。

该研究突破传统热管理思路，证明通过非接触式光学调控即可实现半导体热流的精准操纵。特别值得注意的是，当光穿透深度与样品厚度达到特定比例(βl≈1-2)时，热弹性响应中的峰状结构完全消失，表明载流子对热流的影响从局部调制转变为全局主导。这一发现不仅为微电子散热设计提供了新范式，其建立的光学-热学-声学耦合模型更为功能材料的热性能表征开辟了新途径。研究成果对发展下一代智能热管理器件具有重要指导意义。