近日，上海大学材料基因组工程研究院/上海大学核电关键材料全国重点实验室高兆和副教授（张统一院士团队）联合英国曼彻斯特大学、英国国家材料实验室、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位，在非晶Si₃N₄基体中引入致密、弥散分布的非晶Al(Ti)N纳米颗粒（尺寸约为1nm或以上、相体积分数为6–70%），在隔热涂层领域取得重要研究进展；在非晶Si₃N₄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材料和器件等亟需高热导领域。相关成果以“Dual phase high temperature Si₃N₄/Al (Ti) N films with tunable thermal conductivity”为题，在线发表于国际顶级学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications 16:11555 (2025)）（影响因子：15.7）。上海大学材料基因组工程研究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外籍院士Philip J. Withers教授/爵士和磁控专家Peter Kelly教授也参与此工作。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校“Minimum Thermal Conductivity”理论提出者David Cahill 教授对此工作给了极大的帮助和指导。
非晶介电材料原子缺乏周期性排列，热传导机制复杂，优化其热导率极具挑战，然而追求极低热导或极高热导非晶材料在现代科技领域极其重要，比如低热导非晶涂层可以用于先进辐射探测器；低热导非晶涂层可以用于航空航天热防护系统中承担隔热防护功能，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材料为代表器件散热极其关键。以核电关键材料领域为例，辐射探测器需长期工作在高温、辐照的复杂环境中，其窗口涂层既需要优异的隔热性能以保障探测器精度，又需兼具高温稳定性与抗辐射兼容性。这正是传统非晶涂层难以同时满足的技术痛点：非晶材料原子缺乏周期性排列，热传导依赖传播子（propagons）的贡献，热传导机制复杂，优化其热导率极具挑战。此外，根据以往研究表明，致密分布的第二相能够使材料展现更优的抗裂性和高温稳定性。然而目前尚不清楚致密分散的非晶第二相是否会抑制非晶基体中的传播子，特别是Allen-Feldmann 理论中wave-like“propagons”波形传导是否能被第二相所抑制，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道。
论文截图
研究团队使用反应磁控溅射，通过精准调控沉积参数（如靶材功率、衬底温度、腔体分压等），制备由非晶 Si₃N₄基体与非晶 / 结晶态 AlN/TiN 相构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。研究发现，引入非晶AlN或TiN纳米颗粒（体积分数6–70%），对非晶Si₃N₄基体的热导率（~2 W·m⁻¹·K⁻¹）影响甚微，表明非晶AlN或TiN第二相的存在，并未显著影响非晶薄膜中传播振动模式（传播子）对热导率的贡献，证明了Allen-Feldmann 理论中wave-like“propagons”波形传导的不可被第二相抑制；相比较之下，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⁻¹·K⁻¹，约为纯非晶Si₃N₄的8倍（图2）。
图1 15% a-AlN（a-Si₃N₄/a-AlN）和 61-88%c-TiN（a-Si₃N₄/c-TiN）涂层的微观结构与元素分布(详细图注信息见原文)
图2 热导率与纳米AlN/TiN颗粒含量的关系图
材料在空气中高温暴露时，大部分非晶材料会发生结晶。在本研究中，具备极低热导的双相Si₃N₄/a-AlN复合涂层在1000°C空气环境中暴露50小时后仍保持非晶结构（图4），并无明显晶化或剥落，展示优异的高温稳定性与抗氧化性，可以对航发低压涡轮钛铝合金叶片或者高超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-Si₃N₄/a-AlN）涂层在钛铝合金上900°C或1000°C高温暴露后的微观结构
图4 双相纳米复合 Si₃N₄/Al (Ti) N 薄膜随 Si₃N₄含量变化的示意图
本研究为新型非晶氮化物涂层的设计提供了新路径--通过该路径，不仅可定制涂层的热导率，还能实现良好的热稳定性与力学性能。该成果应用场景广泛，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，凭借优异的高温稳定性与抗辐射兼容性，保障探测器在核反应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，其兼具隔热与结构稳定性的特性可用于发动机关键部件防护。
本工作是上海大学材料基因组工程研究院/核电关键材料全国重点实验室隔热和导热涂层领域的标志性进展之一，同时也是在涂层材料精准调控方向的代表性成果。研究由高兆和副教授提出并设计，Dr. Han Liu, Dr. Justyna Kulczyk-Malecka, Dr. Jinchi Sun, Dr. Xiaodong Liu, Dr. Etienne Bousser等在样品制备、微观结构表征、热导率测试与理论分析等核心技术环节提供了重要支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67582-y