廈門大學(xué)，金剛石熱管理再突破！

近日，廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院于大全教授、林偉毅助理教授團(tuán)隊(duì)在納米尺度下金剛石的熱能輸運(yùn)機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Quasi-2D Phonon Transport in Diamond Nanosheet”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials 期刊上。

金剛石作為超寬帶隙半導(dǎo)體材料, 具有高擊穿電場、高熱導(dǎo)率以及高載體遷移率 , 具有*高的品質(zhì)因數(shù), ?性能優(yōu)于Si, ?SiC, ?GaN 等材料, 是制備高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件的理想材料, 很好地滿足了當(dāng)前對(duì)于高頻大功率電子器件的需求, 并且在劑量學(xué)、放射性伏打和輻射檢測等方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。

在電子器件小型化和高密度集成的背景下，芯片散熱問題愈發(fā)突出，微納米尺度散熱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用被認(rèn)為是解決熱管理問題的有效途徑。當(dāng)散熱路徑尺度接近能量載流子的平均自由程時(shí)，固體中的導(dǎo)熱行為可能會(huì)偏離傅里葉定律的預(yù)測。因此，研究微納結(jié)構(gòu)的能量輸運(yùn)機(jī)理有助于調(diào)控和處理熱傳輸問題。

該研究探討了納米尺度下，單晶金剛石中的熱輸運(yùn)現(xiàn)象，提供了超薄結(jié)構(gòu)中二維聲子輸運(yùn)模式的新見解。研究團(tuán)隊(duì)將單晶金剛石減薄到幾十納米數(shù)量級(jí)，并通過拉曼光譜監(jiān)測聲子能量變化。

結(jié)果顯示，金剛石薄片的熱導(dǎo)率κ在溫度較高下遵循κ~1/T的衰減規(guī)律，與Debye-Callaway模型一致，表明存在Umklapp聲子散射。此外，熱導(dǎo)率與熱傳輸路徑尺度L之間遵循κ~log(L)的對(duì)數(shù)發(fā)散關(guān)系，符合Fermi-Pasta-Ulam模型的預(yù)測，揭示了金剛石在納米尺度的二維聲子特性。特別是，超薄金剛石仍表現(xiàn)出優(yōu)異的面內(nèi)熱導(dǎo)率?(2000 W/mK)，顯著高于大多數(shù)金屬和半導(dǎo)體。以上發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了對(duì)3D晶體在納米尺度能量輸運(yùn)的理解，同時(shí)表明超薄金剛石在芯片熱管理中的應(yīng)用前景。

團(tuán)隊(duì)還與華為、廈門云天等企業(yè)合作，系統(tǒng)研究了芯片與金剛石襯底鍵合以及集成散熱技術(shù)，研究成果發(fā)表在IEEE Electron Device Letters (45, 3, 448-451, 2024. 封面論文)，Journal of Materials Science and Technology (188: 37-43, 2024), 相關(guān)研究推進(jìn)金剛石散熱襯底在先進(jìn)封裝芯片集成的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為推進(jìn)金剛石散熱產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。