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。

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，固體中的導(dǎo)熱行為可能會偏離傅里葉定律的預(yù)測。因此，研究微納結(jié)構(gòu)的能量輸運機理有助于調(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(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。

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)。