编者按

近日，电子科学与技术学院于大全教授、林伟毅助理教授团队在纳米尺度下金刚石的热能输运机理研究方面取得重要进展，相关成果以“Quasi-2D Phonon Transport in Diamond Nanosheet”为题发表在Advanced Functional Materials 期刊上。

研究背景

在电子器件小型化和高密度集成的背景下，芯片散热问题愈发突出，微纳米尺度散热结构的应用被认为是解决热管理问题的有效途径。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，研究微纳结构的能量输运机理有助于调控和处理热传输问题。

研究内容

本研究探讨了纳米尺度下，单晶金刚石中的热输运现象，提供了超薄结构中二维声子输运模式的新见解。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。结果显示，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。特别是，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。以上发现扩展了对3D晶体在纳米尺度能量输运的理解，同时表明超薄金刚石在芯片热管理中的应用前景。

研究相关

该项研究由2021级硕士生朱云亭为第一作者，林伟毅助理教授为通讯作者。研究由国家自然科学基金 (62004095)、福建省自然科学基金 (2022J05015)、厦门大学校长基金(20720240063, 20720220072) 等项目资助。

团队还与厦门云天等企业合作，系统研究了芯片与金刚石衬底键合以及集成散热技术，研究成果发表在 IEEE Electron Device Letters (45, 3, 448-451, 2024. 封面论文)，Journal of Materials Science and Technology (188: 37-43, 2024), 相关研究推进金刚石散热衬底在先进封装芯片集成的产业化发展，为推进金刚石散热产业化应用奠定了基础。