編者按

       近日，電子科學與技術(shù)學院于大全教授、林偉毅助理教授團隊在納米尺度下金剛石的熱能輸運機理研究方面取得重要進展，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)用被認為是解決熱管理問題的有效途徑。當散熱路徑尺度接近能量載流子的平均自由程時，固體中的導熱行為可能會偏離傅里葉定律的預測。因此，研究微納結(jié)構(gòu)的能量輸運機理有助于調(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現(xiàn)象，提供了超薄結(jié)構(gòu)中二維聲子輸運模式的新見解。研究團隊將單晶金剛石減薄到幾十納米數(shù)量級，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，熱導率與熱傳輸路徑尺度L之間遵循κ~log(L)的對數(shù)發(fā)散關(guān)系，符合Fermi-Pasta-Ulam模型的預測，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)熱導率 (2000 W/mK)，顯著高于大多數(shù)金屬和半導體。以上發(fā)現(xiàn)擴展了對3D晶體在納米尺度能量輸運的理解，同時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)

       該項研究由2021級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基金 (62004095)、福建省自然科學基金 (2022J05015)、廈門大學校長基金(20720240063, 20720220072) 等項目資助。

       團隊還與華為、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)研究推進金剛石散熱襯底在先進封裝芯片集成的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為推進金剛石散熱產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。