編者按

近日，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。

研究背景

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。

研究內(nèi)容

本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。

研究相關(guān)

該項(xiàng)研究由2021級(jí)碩士生朱云亭為第一作者，林偉毅助理教授為通訊作者。研究由國家自然科學(xué)基金 (62004095)、福建省自然科學(xué)基金 (2022J05015)、廈門大學(xué)校長基金(20720240063, 20720220072) 等項(xiàng)目資助。

團(tuán)隊(duì)還與廈門云天等企業(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)。