金刚石在高温下化身极致散热材料，成为高功率电子器件的救星 -山东化工网

金刚石在高温下化身极致散热材料，成为高功率电子器件的救星

文章来源：贤集网更新时间：2024-09-20 16:28:08

在材料科学的前沿领域，金刚石正以其独特的性能和巨大的潜力吸引着众多科研人员的目光。作为超宽带隙半导体材料，金刚石在电子器件、量子计算等诸多领域展现出卓越的特性，尤其是其热输运方面的表现更是令人瞩目。让我们一同深入探索金刚石热输运的奥秘，开启材料科学的新征程。

一、芯片散热难题与金刚石的机遇

在电子器件小型化和高密度集成的趋势下，芯片散热问题日益凸显。微纳米尺度散热结构的应用被视为解决这一热管理难题的有效途径。当散热路径尺度接近能量载流子的平均自由程时，固体中的导热行为可能会偏离傅里叶定律的预测。因此，深入研究微纳结构的能量输运机理，对于调控和处理热传输问题至关重要。

金刚石在这个领域展现出巨大的潜力。其高热导率使其成为解决芯片散热问题的有力候选者。研究团队将单晶金刚石减薄到几十纳米数量级，并通过拉曼光谱监测声子能量变化，深入探索纳米尺度下金刚石的热输运现象。

二、纳米尺度下的金刚石热输运新发现

研究结果令人振奋。金刚石薄片的热导率 κ 在温度较高下遵循 κ——1/T 的衰减规律，与 Debye-Callaway 模型一致，表明存在 Umklapp 声子散射。此外，热导率与热传输路径尺度 L 之间遵循 κ——log (L) 的对数发散关系，符合 Fermi-Pasta-Ulam 模型的预测，揭示了金刚石在纳米尺度的二维声子特性。

尤其值得一提的是，超薄金刚石仍表现出优异的面内热导率（2000 W/mK），显著高于大多数金属和半导体。这一发现不仅扩展了对 3D 晶体在纳米尺度能量输运的理解，也为超薄金刚石在芯片热管理中的应用奠定了基础。

三、金刚石热输运特性全解析

高热导率：金刚石是自然界中热导率最高的材料之一，热导率可高达 2000 W/mK 以上。这使其在高功率电子器件等领域具有关键应用价值，能有效散热，提升器件性能和可靠性。

各向异性：金刚石的热导率具有明显的各向异性，不同方向上热导率不同。这是由其晶体结构和化学键的方向性所致。在实际应用中，需根据具体需求选择合适的晶体取向，以充分发挥其热输运性能。

温度依赖性：金刚石的热导率随温度变化而变化。低温下，热导率随温度升高而增加；高温下，热导率随温度升高而降低。这主要是由于金刚石中的声子散射机制所致。在实际应用中，需考虑温度对金刚石热导率的影响，确保器件性能和可靠性。

四、研究方法多元，探索热输运奥秘

实验测量：实验测量是研究金刚石热输运特性的重要方法。常用的实验测量方法包括热导率测量、热扩散系数测量、热膨胀系数测量等。这些方法可直接测量金刚石的热输运特性，为理论研究和实际应用提供重要参考依据。

理论计算：理论计算也是研究金刚石热输运特性的关键方法。常用的理论计算方法包括第一性原理计算、分子动力学模拟、有限元分析等。这些方法可从微观和宏观两个层面研究金刚石的热输运特性，为实验测量提供理论指导和预测。

数值模拟：数值模拟是研究金刚石热输运特性的新兴方法。常用的数值模拟方法包括有限体积法、有限差分法、有限元法等。这些方法可模拟金刚石在实际应用中的热输运过程，为器件设计和优化提供重要参考依据。

五、广阔应用前景，引领未来发展

高功率电子器件：金刚石的高热导率可有效散热，提升高功率电子器件的性能和可靠性。例如，可作为高功率激光二极管、集成电路等器件的散热材料，降低器件温度，提高寿命和稳定性。

量子计算：金刚石中的氮空位（NV）中心是重要的量子比特，具有长寿命、高稳定性等优点。金刚石的高热导率可有效散热，提高 NV 中心的量子比特性能和稳定性，在量子计算领域具有重要应用前景。

热管理材料：金刚石的高热导率可作为新型热管理材料，应用于航空航天、汽车、电子等领域。例如，可作为航空发动机、汽车发动机等高温部件的散热材料，降低部件温度，提高性能和可靠性。

总之，金刚石热输运研究是材料科学领域的重要课题，具有广泛的应用前景和科学意义。未来，随着研究的不断深入，金刚石的热输运特性将得到更深入的理解和应用，为人类社会的发展做出更大的贡献。

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