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金剛石在高溫下化身極致散熱材料，成為高功率電子器件的救星

文章來源：賢集網更新時間：2024-09-20 16:28:08

在材料科學的前沿領域，金剛石正以其獨特的性能和巨大的潛力吸引著眾多科研人員的目光。作為超寬帶隙半導體材料，金剛石在電子器件、量子計算等諸多領域展現出卓越的特性，尤其是其熱輸運方面的表現更是令人矚目。讓我們一同深入探索金剛石熱輸運的奧秘，開啟材料科學的新征程。

一、芯片散熱難題與金剛石的機遇

在電子器件小型化和高密度集成的趨勢下，芯片散熱問題日益凸顯。微納米尺度散熱結構的應用被視為解決這一熱管理難題的有效途徑。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，深入研究微納結構的能量輸運機理，對于調控和處理熱傳輸問題至關重要。

金剛石在這個領域展現出巨大的潛力。其高熱導率使其成為解決芯片散熱問題的有力候選者。研究團隊將單晶金剛石減薄到幾十納米數量級，并通過拉曼光譜監測聲子能量變化，深入探索納米尺度下金剛石的熱輸運現象。

二、納米尺度下的金剛石熱輸運新發現

研究結果令人振奮。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) 的對數發散關系，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。

尤其值得一提的是，超薄金剛石仍表現出優異的面內熱導率（2000 W/mK），顯著高于大多數金屬和半導體。這一發現不僅擴展了對 3D 晶體在納米尺度能量輸運的理解，也為超薄金剛石在芯片熱管理中的應用奠定了基礎。

三、金剛石熱輸運特性全解析

高熱導率：金剛石是自然界中熱導率最高的材料之一，熱導率可高達 2000 W/mK 以上。這使其在高功率電子器件等領域具有關鍵應用價值，能有效散熱，提升器件性能和可靠性。

各向異性：金剛石的熱導率具有明顯的各向異性，不同方向上熱導率不同。這是由其晶體結構和化學鍵的方向性所致。在實際應用中，需根據具體需求選擇合適的晶體取向，以充分發揮其熱輸運性能。

溫度依賴性：金剛石的熱導率隨溫度變化而變化。低溫下，熱導率隨溫度升高而增加；高溫下，熱導率隨溫度升高而降低。這主要是由于金剛石中的聲子散射機制所致。在實際應用中，需考慮溫度對金剛石熱導率的影響，確保器件性能和可靠性。

四、研究方法多元，探索熱輸運奧秘

實驗測量：實驗測量是研究金剛石熱輸運特性的重要方法。常用的實驗測量方法包括熱導率測量、熱擴散系數測量、熱膨脹系數測量等。這些方法可直接測量金剛石的熱輸運特性，為理論研究和實際應用提供重要參考依據。

理論計算：理論計算也是研究金剛石熱輸運特性的關鍵方法。常用的理論計算方法包括第一性原理計算、分子動力學模擬、有限元分析等。這些方法可從微觀和宏觀兩個層面研究金剛石的熱輸運特性，為實驗測量提供理論指導和預測。

數值模擬：數值模擬是研究金剛石熱輸運特性的新興方法。常用的數值模擬方法包括有限體積法、有限差分法、有限元法等。這些方法可模擬金剛石在實際應用中的熱輸運過程，為器件設計和優化提供重要參考依據。

五、廣闊應用前景，引領未來發展

高功率電子器件：金剛石的高熱導率可有效散熱，提升高功率電子器件的性能和可靠性。例如，可作為高功率激光二極管、集成電路等器件的散熱材料，降低器件溫度，提高壽命和穩定性。

量子計算：金剛石中的氮空位（NV）中心是重要的量子比特，具有長壽命、高穩定性等優點。金剛石的高熱導率可有效散熱，提高 NV 中心的量子比特性能和穩定性，在量子計算領域具有重要應用前景。

熱管理材料：金剛石的高熱導率可作為新型熱管理材料，應用于航空航天、汽車、電子等領域。例如，可作為航空發動機、汽車發動機等高溫部件的散熱材料，降低部件溫度，提高性能和可靠性。

總之，金剛石熱輸運研究是材料科學領域的重要課題，具有廣泛的應用前景和科學意義。未來，隨著研究的不斷深入，金剛石的熱輸運特性將得到更深入的理解和應用，為人類社會的發展做出更大的貢獻。

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