近日，亿万先生MR资料基因组工程钻研院/亿万先生MR核电关键资料全国沉点尝试室高兆和副教授（张统一院士团队）结合英国曼彻斯特大学、英国国度资料尝试室、伯明翰大学、美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、加拿大蒙特利尔综合理工大学、英国曼彻斯特城市大学、考文垂大学、澳大利亚莫纳什大学等单元，在非晶Si?N?基体中引入致密、弥散散布的非晶Al(Ti)N纳米颗粒（尺寸约为1nm或以上、相体积分数为6–70%），在隔热涂层领域获得沉要钻研进展；在非晶Si?N?基体中引入晶体TiN纳米颗粒（5-15 nm，体积分数61-88%）可显著提升涂层热导率，适配高功率宽禁带半导体资料和器件等亟需高热导领域。有关成就以“Dual phase high temperature Si?N?/Al (Ti) N films with tunable thermal conductivity”为题，在线颁发于国际顶级学术期刊《天然·通讯》（Nature Communications16:11555(2025)）（影响因子：15.7）。亿万先生MR资料基因组工程钻研院高兆和副教授为第一作者和通讯作者，英国工程院涂层首席Ping Xiao教授和伯明翰大学电镜中心主任Yu-Lung Chiu教授为共同通讯，英国工程院院士和中国工程院表籍院士PhilipJ.Withers教授/爵士和磁控专家Peter Kelly教授也参加此工作。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校‘MinimumThermal Conductivity’理论提出者David Cahill教授对此工作给了极大的援手和领导。

非晶介电资料原子不足周期性分列，热传导机造复杂，优化其热导率极具挑战，然而钻营极低热导或极高热导非晶资料在现代科技领域极其沉要，好比低热导非晶涂层能够用于先进辐射探测器；低热导非晶涂层能够用于航空航天热防护系统中承担隔热防护职能，如高速飞行器/航天器；高热导涂层半导体器件中用作栅介质、硬掩模层，对以第三代高功率半导体资料为代表器件散热极其关键。以核电关键资料领域为例，辐射探测器需持久工作在高温、辐照的复杂环境中，其窗口涂层既必要优异的隔热机能以保险探测器精度，又需兼具高温不变性与抗辐射兼容性。这正是传统非晶涂层难以同时满足的技术痛点：非晶资料原子不足周期性分列，热传导依赖传布子（propagons）的贡献，热传导机造复杂，优化其热导率极具挑战。此表，凭据以往钻研批注，致密散布的第二相可能使资料展示更优的抗裂性和高温不变性。然而目前尚不明显致密分散的非晶第二相是否会抑造非晶基体中的传布子，出格是Allen-Feldmann理论中wave-like“propagons”波形传导是否能被第二相所抑造，致密分散的结晶第二相对非晶基体热导率的影响则鲜有报路。

论文截图

钻研团队使用反映磁控溅射，通过精准调控沉积参数（如靶材功率、衬底温度、腔体分压等），造备由非晶Si?N?基体与非晶/结晶态AlN/TiN相组成的纳米复合氮化物涂层（图1），涂层整体致密，无孔隙和裂纹迹象。钻研发现，引入非晶AlN或TiN纳米颗粒（体积分数6–70%），对非晶Si?N?基体的热导率（~2 W·m??·K??）影响甚微，批注非晶AlN或TiN第二相的存在，并未显著影响非晶薄膜中传布振动模式（传布子）对热导率的贡献，证了然Allen-Feldmann理论中wave-like“propagons”波形传导的不成被第二相抑造；相比力之下，引入晶态TiN纳米颗粒（体积分数61–88%）则能显著提升热导率，最高可达15.1 W·m??·K??，约为纯非晶Si?N?的8倍（图2）。

图1 15% a-AlN（a-Si?N?/a-AlN）和61-88%c-TiN（a-Si?N?/c-TiN）涂层的微观结构与元素散布(具体图注信息见原文)

图2 热导率与纳米AlN/TiN颗粒含量的关系图

资料在空气中高温露出时，大部门非晶资料会产生结晶。在本钻研中，具备极低热导的双相Si?N?/a-AlN复合涂层在1000°C空气环境中露出50幼时后仍维持非晶结构（图4），并无显著晶化或剥落，展示优异的高温不变性与抗氧化性，能够对航发低压涡轮钛铝合金叶片或者高明音速部件用钛合金等部件提供高温极端环境的瞬间热防护。

图3 15% a-AlN（a-Si?N?/a-AlN）涂层在钛铝合金上900°C或1000°C高温露出后的微观结构

图4 双相纳米复合Si?N?/Al (Ti) N薄膜随Si?N?含量变动的示意图

本钻研为新型非晶氮化物涂层的设计提供了新蹊径--通过该蹊径，不仅可定造涂层的热导率，还能实现优良的热不变性与力学机能。该成就利用场景宽泛，在核电领域，其低导热导率可直接用于辐射探测器窗口隔热涂层，凭借优异的高温不变性与抗辐射兼容性，保险探测器在核反映堆复杂环境中精准工作；在半导体领域，高导热导率可解决芯片散热难题；在航空航天领域，其兼具隔扰纂结构不变性的个性可用于发起机关键部件防护。

本工作是亿万先生MR资料基因组工程钻研院/核电关键资料全国沉点尝试室隔热和导热涂层领域的标志性进展之一，同时也是在涂层资料精准调控方向的代表性成就。钻研由高兆和副教授提出并设计，Dr.Han Liu, Dr.JustynaKulczyk-Malecka, Dr.JinchiSun, Dr.XiaodongLiu, Dr.EtienneBousser等在样品造备、微观结构表征、热导率测试与理论分析等主题技术环节提供了沉要支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67582-y