北京科技大学：金刚石基异质界面热管理研究取得新成果

随着电动汽车、数据中心以及新能源系统的快速发展，高功率电子器件正不断向更高功率密度演进。与此同时，器件内部的热流密度持续攀升，局部热点甚至可达到1200–4500 W/cm²，这使得“散热能力”逐渐从辅助指标转变为决定器件性能与可靠性的关键因素 。在这一背景下，传统硅材料受限于导热性能和耐高温能力，已难以满足新一代高功率器件的需求，推动行业加速向新型高导热材料体系转型。

在众多候选材料中，金刚石与碳纳米管（CNT）因其极高的热导率而备受关注。金刚石的热导率可达2000 W/m·K以上，而碳纳米管更是超过3000 W/m·K，两者在结构与化学组成上的一致性，也使其具备构建高效热界面的潜力。

然而，在实际应用中，即便材料本身导热性能优异，不同材料之间的界面仍会引入显著的热阻，成为限制整体散热效率的关键瓶颈。因此，如何从界面层面优化热输运性能，成为当前热管理领域的重要研究方向。

近日，北京科技大学李成明团队在《International Journal of Heat and Mass Transfer》发表了题为 Investigation of interfacial thermal resistance in diamond/CNT heterostructures via non-equilibrium molecular dynamics 的研究论文。该工作从原子尺度系统分析了金刚石/CNT界面热阻的影响因素与调控机制。

研究结果表明，界面结构对热阻具有显著影响。首先，引入Ti包覆层后，界面热阻大幅降低，从约41.6 m²·K/GW降至约7.89 m²·K/GW。这一变化表明，在CNT与金刚石之间引入过渡层，可以有效增加界面接触和声子耦合通道，从而显著提升热传导效率。进一步分析发现，在不同晶面取向中，(100)晶面始终表现出最低的界面热阻，说明晶体取向对界面原子排列及相互作用具有重要影响。

在表面调控方面，研究显示，大多数表面修饰均能够改善界面热输运性能，其中以氟（F）修饰效果最为显著。在最优条件下，界面热阻可降低至约4.45 m²·K/GW，较未修饰界面显著下降。与此同时，修饰覆盖率对热阻的影响也呈现出非线性特征：随着覆盖率提升，界面热阻整体下降，但在约75%覆盖率时达到最低值，进一步增加覆盖率反而可能削弱优化效果。这一结果表明，在实际工艺中并不需要追求完全覆盖，而是存在一个更优的结构区间。

总体来看，该研究系统揭示了金刚石/CNT界面热阻的调控规律，明确了“晶面取向—表面修饰—覆盖率”三者协同作用对界面热输运的影响，并从声子层面给出了统一解释。研究结果表明，通过选择(100)晶面、引入F修饰并优化覆盖率，可以有效降低界面热阻，为高功率器件散热结构设计提供了清晰路径。

在应用层面，这项工作为金刚石/CNT复合热管理材料的设计提供了重要理论依据，对CNTFET、GaN-on-diamond等新型器件的热优化具有参考价值。同时，基于分子动力学的系统分析，也有助于减少实验过程中的试错成本，提高界面工程设计效率。

展望未来，论文指出，当前仍需在实验层面进一步验证相关界面调控策略，并推动大尺寸金刚石材料制备与晶向控制技术的发展。此外，如何实现可控、稳定的界面修饰工艺，以及将相关结构设计应用于实际器件中，仍是后续研究的重要方向。