高導熱的案例
熱管理用高導熱碳化硅陶瓷基復合材料研究進展
來源 | 無機材料學報
作者 | 陳強，白書欣，葉益聰
單位 | 國防科技大學 空天科學學院，材料科學與工程系
原位 | DOI：10.15541/jim20220640
摘要：碳化硅陶瓷基復合材料以其高比強度、高比模量、高導熱、良好的耐燒蝕性能、高溫抗氧化性、抗熱震性能等特性，廣泛應用于航空航天、摩擦制動、核聚變等領域，成為先進的高溫結構及功能材料。本文綜述了高導熱碳化硅陶瓷基復合材料制備及性能等方面的最新研究進展。研究通過引入高導熱相，如金剛石粉、中間相瀝青基碳纖維等用以增強熱輸運能力；優化熱解碳與碳化硅基體界面用以降低界面熱阻；熱處理用以獲得結晶度更高、導熱性能更好的碳化硅基體；設計預制體結構用以建立連續導熱通路等方法，提高碳化硅陶瓷基復合材料的熱導率。此外，本文展望了高導熱碳化硅陶瓷基復合材料后續研究方向，即綜合考慮影響碳化硅陶瓷基復合材料性能要素，優化探索高效、低成本的制備工藝；深入分析高導熱碳化硅陶瓷基復合材料導熱機理，靈活運用復合材料結構與性能的構效關系，以期制備尺寸穩定、具有優異熱物理性能的各向同性高導熱碳化硅陶瓷基復合材料。
展開 西工大顧軍渭教授《Research》：導熱高分子復合材料界面熱障重要研究成果
高分子材料由于輕質、高比強度/比模量、易成型加工、優良的化學穩定性和低成本等，常被用于能源、電氣/電器和電子領域中。但其本體導熱系數低（λ在0.18～0.44 W/mK之間），無法適應有機太陽能電池、儲能材料、特高壓輸電設備和大功率LEDs等電子、電氣設備及元器件高效快速的導/散熱要求。
西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料”（SFPC）課題組長期聚焦本征高導熱高分子的設計合成以及導熱高分子復合材料的可控制備及內稟機理研究。近5年來，在**重點項目、國家自然科學基金、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目和廣東省基礎與應用基礎研究基金重點項目等的資助下，SFPC課題組系統開展了本征高導熱高分子的設計合成、新型異質結構填料的優化制備、導熱填料的表面功能化改性，以及導熱高分子復合材料的制備調控、導熱模型構建和導熱機理研究，并基于本征導熱、共混復合和外場誘導成型加工，“基體-界面-填料”的熱傳輸性質以及“分子鏈-導熱通路-導熱性能”本構關系研究，制備出多種導熱高分子復合材料及制品，完善和發展了其導熱機理。
展開 具有三維結構的高導熱絕緣PI/BNNS@rGO復合薄膜
理想的TIMs應具有高導熱性、優異的電絕緣性、柔韌性和輕量化，并適應柔性電子等新興技術。
六方氮化硼(hBN)是石墨烯類似物，具有良好的力學性能、優異的化學穩定性和熱穩定性，以及超高的導熱系數(200-600 W/mK)，因此在聚合物基復合材料研究領域備受關注。研究結果表明，由于原hBN的聚集性和相容性較差，界面聲子振動失配，導熱途徑不有效，因此hBN基復合材料的導熱系數通常較低，不能滿足高導熱界面材料的要求。
由于具有較大的比表面積和豐富的邊基，氮化硼納米片BNNS在聚合物基質中的分散性和相容性方面往往比未剝離的hBN具有前所未有的優勢。然而，剝離后的BNNS橫向尺寸僅為100 nm，厚度達到10 nm。因此，制備厚度均勻、產率高的高質量BNNS對于制備具有高導熱性能的柔性復合膜具有重要意義。
近年來，高性能PI納米纖維薄膜在導熱領域得到了廣泛的研究。以及利用氧化石墨烯/膨脹石墨復合制備了具有高導熱性的多層電磁干擾屏蔽柔性薄膜。根據其他研究結果表明，通過在BNNS之間建立橋梁來提高復合材料的導熱性仍然是一個挑戰。
02
成果掠影
近期，天津工業大學的范杰教授聯合中原工學院的何建新教授在制備柔性高導熱納米復合材料取得新進展。采用水熱法和球磨法對NaOH-LiCl水溶液進行分離，得到了大尺寸(1 ~ 1.5 μm)、超低厚度(2 nm)、高收率(80%)的BNNS。提出了一種簡單的電紡絲-電噴涂技術，用于制備具有雙組分納米片填充納米纖維三維橋接結構的高導熱絕緣納米復合膜。通過闡明雙組分多通道三維網絡的導熱機理，優化納米片納米纖維膜的堆疊結構，與PI/50BNNS相比，PI/50BNNS@2.5rGO納米纖維復合膜的力學性能提高了168%。
展開 上海交大黃興溢教授、鮑華教授合作《AFM》：高導熱輻射熱制冷絕緣材料
這就對現有的輻射制冷材料提出了新的要求，即，高導熱率（低熱阻）。然而，傳統的輻射制冷材料不僅不具備高導熱率，甚至是具有超低導熱率的隔熱保溫材料。這是因為，為了實現輻射制冷材料的超高的陽光反射率，通常需要構建聚合物-光散射體復合體系，而聚合物與常用的光散射體（如SiO2, BaSO4, CaCO3等球形介電顆粒或孔洞等）的導熱率非常低，除此之外，由于這些光學散射體通常折光率低，具有很強的前向散射以及相干散射，因而導致需要增加材料厚度以實現對陽光的高度反射。由此可見，對于傳統的輻射制冷材料來說，實現高陽光反射率與低熱阻往往是相互制約的（如圖1所示）。
圖 1 低陽光反射率與高陽光反射率輻射制冷材料傳熱模型分析。熱阻R=L（厚度）/λ（導熱率）。
有鑒于此，上海交通大學電氣材料與絕緣研究中心黃興溢教授與密西根學院的鮑華教授緊密合作，開發了一種具有高導熱率的輻射制冷絕緣材料，該材料不僅具有高達98%的陽光反射率，可以實現全天輻射制冷效果，且該材料的高導熱特性使其可用于戶外設備的高效熱管理，有效降低器件、裝備的工作溫度。相關工作以“Thermo-Optically Designed Scalable Photonic Films with High Thermal Conductivity for Subambient and Above-Ambient Radiative Cooling”發表在《Advanced Functional Materials》。
通過對多種光散射體的理論計算以及實驗，該團隊發現h-BN滿足制備高導熱輻射制冷材料的三個重要特性：
1.
展開 
氧化鋁在導熱絕緣高分子復合材料中的應用
為保證電子元器件在使用環境溫度下仍能高可靠性地正常工作。需要開發導熱絕緣高分子復合材料替代傳統高分子材料，作為熱界面和封裝材料，迅速將發熱元件熱量傳遞給散熱設備，保障電子設備正常運行。
1.填料的導熱機理
高分子材料本身的熱傳導系數比較小 ，所以填充型高分子復合材料導熱性能主要依賴于填充物的導熱系數，填充物在基體中的分布以及與基體的相互作用。填料用量較小時，填料雖均勻分散于樹脂中，但彼此間未能形成相互接觸和相互作用，導熱性提高不大；填料用量提高到某一臨界值時，填料間形成接觸和相互作用，體系內形成了類似網狀或鏈狀結構形態，即形成導熱網鏈。當導熱網鏈的取向與熱流方向一致時，材料導熱性能提高很快；體系中在熱流方向上未形成導熱網鏈時，會造成熱流方向上熱阻很大，導致材料導熱性能很差。
制造具有優良綜合性能的導熱材料一般有兩種途徑：一種是合成具有高熱導率的結構聚合物；另一種是在聚合物中填充高導熱性的填料。后者比較常見。一般都是用高導熱性的金屬或無機填料對高分子材料進行填充。氧化鋁（VK-L04R,VK-L600D）通常作
為填料應用于絕緣導熱高分子復合材料。
2 氧化鋁的形態及表面處理
2.1 氧化鋁（VK-L04R,VK-L600D）作為導熱絕緣材料的特點
具有導熱電絕緣性能的填料很少。常見的幾種及其熱導率分別見表1。實驗研究證明，當填料與基體熱導率之比大于100時。提高填料導熱系數已意義不大。這 就意味著應用電絕緣填料如Al2O3，MgO、BeO、AlN等可制備具有較高導熱性能的電絕緣復合材料.與其他填料相比Al2O3（VK-L04R,VK-L600D）的導熱率不高，但是其價格較低，來源較廣，填充量較大，常用作絕緣導熱聚合物的填料。Al2O3通常單獨使用或與其他填料混合使用。
展開 一種新型高導熱系數的BN/硅橡膠復合薄膜材料
來源 | Chemical Engineering Journal
01
背景介紹
微納電子器件的爆炸式增長刺激了對高性能熱界面材料(TIM)的需求，以解決其過熱問題。考慮到電絕緣性和柔韌性，采用高導熱填料的聚合物基復合材料(包括金屬、碳和陶瓷材料)受到了廣泛的關注。然而，金屬或碳填充復合材料的導電性不可避免的限制了其在電子器件中的應用。因此，氮化硼、氧化鋁或氧化鎂等具有高導熱性和電子絕緣性的陶瓷填料是高性能TIM的候選填料。
其中，六方氮化硼(h-BN)由于其高平面內導熱系數(理論上高達2000 W/(mK))和優異的電子絕緣而引起了特別的關注。為了有效地將熱源產生的多余熱量傳遞到散熱器，理想的TIM最好具有高的垂直導熱系數。到目前為止，聚合物/BN復合膜即使在高填料含量(~60 wt%)下的導熱系數一般小于10 W/(mK)。然而，這種聚合物膠合填料骨架，由于簡單的物理接觸，相鄰填料之間的界面相互作用相對較弱，這在結處造成強烈的聲子散射，極大地限制了所得復合材料的導熱性增強。
聚合物-六方氮化硼(BN)復合材料因其高導熱性和優異的電子絕緣性而成為電子器件理想的熱界面材料(TIM)。然而，由于BN填料的二維形狀和化學惰性，BN的垂直排列和巨大的熱阻是當前面臨的挑戰，阻礙了聚合物/BN復合材料的高效傳熱。因此開發新型的材料制備策略調控填料的排列方式是非常重要的研究方向之一。
02成果掠影
近期，復旦大學陳敏教授團隊在開發高導熱系數的硅基橡膠復合材料取得新的進展。該團隊提出通過結合一種新型的非溶劑誘導相分離工藝“原位焊接”策略。
展開 自堆疊三維各向異性的PANF- BNNS/EP高導熱納米復合材料
來源 | ACS Applied Materials Interfaces
01
背景介紹
隨著現代智能電子和通信技術的迅猛發展，開發具有高功率密度和小型化的新型電子器件成為人們研究的熱點。聚合物基復合材料具有易于加工、良好的電絕緣性和良好的化學穩定性，是新型設備中應用最多的材料。然而，聚合物基復合材料的低導熱性和高溫穩定性差限制了其應用范圍為了獲得更高的散熱能力，添加具有高導熱性的碳材料(如石墨烯)或無機材料(如氧化鋁和氮化硼)等填料是一種優化方法。
六方氮化硼納米片(BNNSs)的寬禁帶(5 ~ 6 eV)、類石墨結構和穩定的結晶度使其具有高導熱性、優異的電絕緣性能和優異的熱穩定性。然而，制備具有高導熱性的BNNS/聚合物復合材料通常采用共混方法，這不僅需要大量填充劑，而且會導致復合材料的機械和電氣絕緣性能惡化。通過對BNNS表面的功能化、聚合物的改性和微觀結構的設計等方面的努力，已被用于解決這一問題其中，微結構設計是一種有效的方法。
例如，通過使用添加劑(如聚乙烯醇(PVA)和纖維素納米纖維(CNF))，將BNNS構建成三維(3D)各向異性結構，構建定向導熱網絡結構，可以極大地提高環氧樹脂(EP)基復合材料的導熱性。增強的主要原因是緊密連接的BNNS形成的有序結構減小了界面熱阻和聲子散射。然而，這種3D各向異性結構的構建往往需要特定的條件，從而導致成本增加和影響大規模應用。因此，創建一種更有效的方法來構建具有更好結構的三維各向異性BNNS骨架是至關重要的。
2011年，Kotov的團隊通過在強極性堿性溶劑中分解宏觀的對芳綸纖維，獲得了芳綸納米纖維(ANFs)高比表面積的特性賦予了ANF優異的可加工性，使其成為一種很有前途的納米材料。
展開 一種具有高導熱性的CVGNPs/PVA熱界面材料
來源 | Composites Part B
01
背景介紹
隨著電子產品逐漸向輕量化和多功能化的方向發展，要求更高的集成度導致設備功率密度的增加。因此電子產品在工作中會產生過多熱量大大降低了相應設備的性能和壽命，所以散熱成為制約電子器件進一步發展的瓶頸。散熱的主要挑戰之一是由表面粗糙度引起的電子器件和散熱器配合表面的微觀間隙所引起的界面熱阻。這可能導致性能惡化，甚至降低設備的使用壽命。
為了填補微觀間隙并減少界面熱阻，通常在電子器件和散熱器之間放置熱界面材料(TIMs)。值得注意的是，界面熱阻主要來源于兩個因素:TIMs的熱阻和接觸熱阻，前者由TIMs的厚度和導熱率決定，后者部分取決于TIMs的柔韌性。不幸的是，高導熱性和高柔韌性之間的相互制約限制了TIMs的發展。為了獲得具有高導熱性的柔性材料，將金屬、陶瓷、碳基材料等本質上具有高導熱性的填料與聚合物結合。
碳基材料，如石墨烯、碳納米管、金剛石和碳纖維是最有希望的候選材料。由于石墨烯具有極高的面內導熱系數(~5300 W/mK)，填充石墨烯可以增強高分子材料的導熱性。然而，由于石墨烯在聚合物材料中的分散和排列不良，往往無法取得優異的結果。研究表明，石墨烯形成的三維網絡，如石墨烯泡沫、垂直石墨烯和石墨烯氣凝膠，可以提高材料的通平面導熱性。
改善材料通平面導熱性的方法是構建沿通平面方向排列填料。例如，通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)制備的垂直石墨烯陣列已被證明具有優異的通平面導熱性，而通過靜電植束方法將碳纖維填料垂直排列可提高所得復合材料的通平面導熱性。此外，還深入研究了力場、磁場和定向凍結來排列填料，從而大大提高了復合材料的熱性能。
展開 中科院合肥研究院田興友研究員和張獻研究員團隊構筑高導熱聚酰亞胺柔性絕緣膜
近期，中科院合肥研究院固體所高分子與復合材料研究部田興友研究員和張獻研究員團隊在高導熱聚酰亞胺柔性絕緣膜研究方面取得新進展，利用氮化碳在石墨烯上原位生長和“類落葉”策略實現高導熱聚酰亞胺柔性絕緣膜的構筑。相關研究成果以“Enhanced thermal conductivity of carbon nitride-doped graphene/polyimide composite film via a “deciduous-like” strategy”為題發表在材料科學TOP期刊Composites Science and Technology上。
電子產品的小型化和高密度集成化使其內部工作溫度急劇上升，過熱的工作環境會嚴重影響電子器件的可靠性和使用壽命。因此，為了保持電子器件的正常運行和長期穩定，高效的熱管理是非常必要的。面對下一代電子產品更輕、更薄、可彎曲、可折疊甚至可穿戴的發展趨勢，開發高導熱的柔性聚合物薄膜材料已成為當前的研究熱點。
圖1. 氮化碳在rGO上原位生長和PI/rGO@CN復合膜制備過程示意圖。
鑒于此，研究團隊首先通過將氮化碳（CN）在石墨烯（rGO）上原位生長，獲得高導熱且電絕緣的rGO@CN復合導熱填料；進而采用“類落葉”策略實現低負載量的rGO@CN在聚酰亞胺(PI)膜中的分層構筑。相比于低添加量填料在聚合物基體中均勻分散、較難形成連續的導熱通路來說，分層結構在構筑連續的導熱通路方面有著獨特優勢。
展開 用于提高熱管理能力的高導熱且電絕緣的聚合物/氮化硼納米片納米復合薄膜
【引言】
由于其多功能性和易加工性，現代電氣系統和電子設備的熱管理應用迫切需要導熱但電絕緣的聚合物復合材料。然而，增強聚合物復合材料的導熱性通常以輕質損失、柔韌性和電絕緣性的劣化為代價。本文報告了含有定向氮化硼納米片（BNNS）的先進聚合物納米復合材料，其表現出高導熱性，優異的電絕緣性和出色的柔韌性。這些納米復合薄膜可以通過靜電紡絲聚合物/BNNS納米復合纖維，垂直折疊電紡納米復合纖維，經壓制而構建。納米復合薄膜在33wt％BNNS負載量時具有超高的面內導熱系數。此外，與原始聚合物相比，納米復合膜具有優異的電絕緣性能，例如低的介電損耗，較高的電阻率和擊穿強度。在電源器件中證明了納米復合薄膜的強大熱管理能力，這表明了管理高功率密度電子設備的熱平面內高導熱性的重要性。
【成果簡介】
導熱且電絕緣的聚合物材料已廣泛應用于發光二極管（LED）、集成電子器件、能量存儲和轉換系統，軍事武器和航空航天工業中，以實現適當的熱管理。隨著電氣系統和電子設備的快速性能演進，傳統的聚合物復合材料不能滿足熱管理的高要求。因為聚合物材料雖具有優異的電絕緣性能，靈活性和設計自由度，但低固有導熱率限制了它們在熱管理中的適用性。因此，結合聚合物的優點和填料的高導熱性的復合材料被認為是理想的解決方案。其中，六方氮化硼納米片（BNNS）由于具有超高導熱性，寬帶隙（約5.9 eV）和高縱橫比2D形態，是有前途的導熱填料。
展開 一種用于熱管理的高導熱石墨膜
然而，由于液氮溫度異常低，表面張力高，在溫度變化下體積膨脹明顯，該技術面臨挑戰。在如此復雜的使用條件下，這些因素會導致功能部件不可避免的結構損傷，從而降低散熱性能。因此，在極端條件下實現結構穩定性和高性能材料設計的集成是熱管理領域的關鍵挑戰。
聚合物、陶瓷、金屬等熱管理材料得到了廣泛的應用和發展。由于其固有的缺陷，它們無法滿足復雜和極端場景的需求。碳基材料，如高導熱石墨薄膜(GF)，具有低密度、優異的柔韌性、低熱膨脹系數和固有的耐化學性等優點，是傳統導熱材料的一個很有前途的替代品。然而，使用交聯聚合物會降低導熱系數，塑化拉伸只能消除薄膜的部分內部缺陷，在極端條件下無法解決其固有的結構不穩定性。
02
成果掠影
近日，浙江大學高超、許震和劉英軍老師以及明鑫博士針對用于高功率電子器件熱管理的高導熱石墨薄膜(GF)材料開發取得最新進展。該文首次研究了GF在循環液氮沖擊(LNS)中的結構破壞機制，揭示了一個以“滲透-擴散-變形”現象為特征的鼓泡過程。為了克服這一長期存在的結構弱點，提出了一種新的金屬-納米盔甲策略來構建具有無縫異質界面的Cu修飾石墨膜(GF@Cu)。這種精心設計的接口確保了在77至300 K的數百次LNS循環后GF@Cu的優越結構穩定性。此外，GF@Cu在150次LNS循環后仍保持高達1088 W/mK的高導熱率，降解率低于5%，優于純GF(50%降解)。我們的工作不僅為通過合理的結構設計提高石墨薄膜的穩健性提供了機會，而且還促進了導熱碳基材料在未來復雜航空航天電子產品中極端熱管理的應用。
展開 
具有優異的電絕緣、高導熱性能的聚合物復合材料
來源 | Composites Science and Technology
01
背景介紹
熱管理在現代工業和技術中發揮著越來越重要的作用，導熱材料已成為眾多電子產品和大型設備(包括能源設備、航天飛行器等)不可或缺的一部分。大多數金屬和陶瓷一般都是理想的導熱體，這可以分別歸因于電子熱傳導和相對完美的晶格振動。聚合物良好的可加工性和電絕緣性能使其在熱管理中不可或缺，但其隨機盤繞的共價分子鏈會產生強烈的聲子散射，由此產生的低導熱系數極大地限制了其在散熱中的應用。
通過提高分子鏈的結晶度和有序度，聚乙烯纖維、聚乙烯薄膜、聚乙烯氧化物纖維和聚苯并二惡唑纖維獲得了優異的導熱系數。這為輕質、可加工和絕緣導熱材料開辟了兩個新思路。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其優異的力學性能、低密度、良好的耐化學性、高耐磨性等特點而備受關注。最近的研究已經擴大了在熱管理中使用聚乙烯的可能性。
超高分子量聚乙烯纖維具有較高的導熱系數和優良的絕緣性能，非常適合在電絕緣領域發展為導熱材料。目前，絕緣導熱材料主要是填充導熱填料，然而在高填充量下面臨導熱系數惡化、密度高、可加工性差等棘手問題。利用超高分子量聚乙烯纖維開發全聚合物復合材料有望解決上述問題。但目前很少有研究對超高分子量聚乙烯纖維復合材料的導熱系數進行研究，導熱系數大于10 W/mK的超高分子量聚乙烯復合材料更是罕見。
02
成果掠影
近期，北京大學白樹林教授在開發具有高導熱和電絕緣性能的聚合物復合材料取得新成果。
針對開發具有優異機械性能、電絕緣、高導熱的全聚合物復合材料，通過熱壓法制備了種具有（0°/90°、±45°）兩種取向結構的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維/環氧樹脂復合材料。
展開 貴州大學謝蘭教授團隊：高導熱的高性能電磁屏蔽材料
圖片來源詳見論文（A部分：Chemical Engineering Journal, 2020, 383, 123072（高被引論文）; B部分: ACS Sustainable Chemistry &Engineering, 2020, 8, 4427; C部分：Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8, 14506.）
為了提高聚合物導熱性能，謝蘭教授團隊前期利用強剪切流動場與層層自組裝技術，從多維填料協同、多元異質結構設計（圖1B/C）及填料多尺度構建（圖1C）等方面搭建有序層狀網絡結構，研究了生物質基復合材料“結構-界面熱阻-導熱性能”的關系（圖1），最終實現生物質基復合材料的強韌性及其高導熱性能。
圖2. 高導熱的NFC/Fe3O4＆CNT/PEO薄膜的電磁屏蔽效果展示及其機理示意圖。
基于前期研究工作，謝蘭教授團隊進一步采用“交替多層”設計思路構建了包含納米纖維素/四氧化三鐵（NFC/Fe3O4）層和碳納米管/聚環氧乙烷（CNT/PEO）層的交替多層薄膜。其復合膜展現了優異的電導率、導熱系數以及出色的電磁屏蔽效能（EMI SE）。NFC/Fe3O4＆CNT/PEO柔性薄膜同時具有出色的EMI SE和導熱系數，在通信行業，便攜式電子設備和機器人關節中具有潛在的應用前景。
圖3.復合材料的導熱與電磁屏蔽性能。
本研究成果第一作者為貴州大學材料與冶金學院2018級碩士研究生李毅，通訊作者是薛白博士和謝蘭教授。
展開 天津大學汪懷遠教授團隊CEJ：基于神經元微結構的高導熱絕緣復合材料
此外，BN微片的無序分布還會加劇界面熱阻，導致嚴重的聲子散射和較差的導熱性能。
因此，在無人機飛行、人工智能網絡模擬和云計算等現代使用場景中，該材料可以很好地滿足新興產業對核心器件高性能與高穩定性的雙重需求。簡易可擴展的工藝流程與高效的導熱性能也使得該材料在現代化冷卻系統中具有獨特的后發優勢。
圖7 mBN42 PES/PVDF-H復合材料中導熱機理示意圖
【研究小結】
綜上所述，該團隊設計了一種簡單可擴展的方法來制備具有神經元網絡和取向微結構的高導熱復合材料。該復合材料具有高的導熱系數（12.13 Wm-1K-1, bulk TC）、優異的熱穩定性（Tg:172.2℃）、突出的電絕緣性能（1.5×1016Ω·cm）和穩定的儲能模量（50 times higher than the matrix）。這些優異的性能來源于神經元樣微結構與界面增強的協同機制。更重要的是，移動PC端進行的壓力測試顯示了出色的應用效果，可以改善用戶對現代電子設備的體驗。因此，相信本研究有可能為設計仿生類神經元微結構復合材料，解決先進電子封裝技術中的散熱問題開辟一條途徑。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131280
展開 低溫濺射沉積高導熱性亞微米氮化鋁薄膜
在高密度集成電路和電源或射頻(RF)電子器件中尤其如此，在這些器件中，高溫會降低晶體管的性能，增加漏電，最終縮短器件的使用壽命。溫度高于最佳工作范圍僅5°C就會使某些設備的使用壽命減半。
熱管理可以通過主動調節熱流和管理熱瞬變來實現，例如使用新興的熱晶體管和二極管。無源方法包括使用薄膜來阻擋或將熱量從電子設備的熱點處帶走。這樣的散熱器必須具有高導熱性，但它們通常必須是電絕緣體，以防止組件之間的干擾，因此只有少數材料（如氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)和金剛石）才具有這些特性。
AlN由于其大帶隙(約6.1 eV)和優異導熱系數而引起了人們的廣泛關注。事實上，AlN薄膜的熱導率已被證明為數百和幾微米厚，但這種薄膜通常在1200°C以上沉積。而且，集成電子學也將受益于更薄的微尺度AlN薄膜，其導熱性尚未得到優化，其熱極限也知之甚少。
02
成果掠影
近期，斯坦福大學Kenneth E. Goodson、Christopher Perez團隊聯合桑迪亞國家實驗室Suhas Kumar針對開發低溫沉積高導熱性的氮化鋁薄膜取得最新進展。氮化鋁(AlN)是少數具有優異導熱性的電絕緣材料之一，但高質量的薄膜通常需要極高的沉積溫度(>1000°C)。對于密集或高功率集成電路中的熱管理應用，重要的是在低溫(<500°C)下沉積散熱片才不會影響底層電子器件。本文展示了通過低溫(<100°C)濺射獲得的100 nm至1.7 μm厚的AlN薄膜，并通過x射線衍射，透射x射線顯微鏡以及拉曼和俄蓋光譜分析了其熱性能與晶粒尺寸和界面質量之間的關系。通過控制反應的沉積條件，該文實現了~ 600 nm薄膜的導熱系數(~ 36?104 W/mK)，其上限代表了室溫下這種薄膜厚度的最高值之一，特別是在低于100°C的沉積溫度下。
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