斯坦福大學：多晶金剛石中單個晶界附近熱流局部變化的可視化

實驗

大多數可導熱材料，其微觀結構中都存在著晶界等缺陷，而這將會影響其在納米尺度上傳輸熱量的效率。就在前不久，斯坦福大學的Kenneth Goodson領導的一個研究小組開發了第一個用於可視化多晶金剛石中單個晶界附近熱流的局部變化的實驗技術，並在無序邊界附近觀察到局部熱導率降低了近兩倍。這一技術的研發對於開發更有效地去除電子器件中多餘熱量的材料是非常重要的。

熱量散失是電子設備中的主要問題，而當前，隨著電子設備變得越來越小巧，熱量散失的問題變得更為嚴重，換句話說，熱量散失問題已經成為進一步小型化組件的主要障礙。為了應對這一挑戰，研究人員提出，合成多晶金剛石可能是下一代散熱材料的理想選擇。然而，了解晶界如何影響這種材料的熱流動，對於確定熱管理應用程序的好壞至關重要。

團隊成員和研究的主要作者Aditya Sood解釋說：「到目前為止，研究人員已經利用間接技術研究了晶粒結構與熱傳輸之間的關係，而這些技術的平均效果取決於數千個晶界的影響。儘管這些測量有用，但幾乎沒有提供有關個體邊界附近熱流特性的直接信息。而我們的方法是基於稱為時域熱反射（TDTR）的超快光泵浦探測技術，使我們能夠測量單顆粒水平的熱傳輸。」

構建導熱係數的二維圖

他還解釋到:「該技術涉及使用短脈衝光，每個持續約十億分之一秒來加熱材料表面。而當熱量離開材料表面時，我們使用第二組脈衝來探測溫度在納秒級上衰變的速率。這種熱流率可以定量地與底層材料的局部熱導率相關聯。

研究人員稱，通過將激光聚焦到一個小斑點並利用高精度檔對樣本進行光柵掃描，從而構建二維熱導率圖。而在這些實驗中，所面臨的最大挑戰就是能夠精確定位材料中的晶界，且確保在樣品上的相同位置進行熱傳輸測量。為了可以更好的測量，研究人員與加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）的電子顯微鏡專家Mark Goorsky進行了密切合作，利用電子背散射衍射（EBSD）的技術生成了每個晶粒局部晶向的馬賽克圖像。

Sood告訴nanotechweb.org ：「我們工作的一個獨特之處在於我們使用的這兩種技術是具有關聯性的，從而使得我們能夠在局部導熱係數和底層晶粒結構之間建立直接的視覺聯繫，然而，這種對應在之前是從來沒有被以如此清晰地呈現出來的。」

局部熱導率降低兩倍

研究人員觀察到硼摻雜多晶金剛石的局部熱導率降低了近兩倍。Sood對此進行了說明：「由於熱能載體（聲子）在無序晶界處的強烈散射，這種熱流受到了很大的抑制，有趣的是，我們檢測到這種導熱性能的下降遠離晶界幾微米。我們認為，這種非局部效應部分來自於由具有長平均自由程的聲子傳遞熱量，換句話說，原子振動能夠在沒有散射的情況下傳輸大量熱能。」

對於使用諸如高導電性合成多晶金剛石材料的電子器件的熱管理來說，結果可能是重要的。 「雖然具體細節肯定與材料有關，但我們已經表明，在評估其作為散熱基材的性能時，需要考慮材料基礎微觀結構的不均勻性。」

「我相信隨著器件尺寸開始變得與多晶襯底中的固有缺陷長度尺度相當，材料基礎微觀結構的不均勻性將變得越來越重要。」

展望

Sood說：「除了晶界之外，新的相關顯微鏡方法也可能用於研究振動傳熱載體與其他類型晶體缺陷（位錯，沉澱物和毛孔等）的相互作用。熱電學作為受益的重要領域，其中多尺度缺陷被有意結合到材料中以阻止熱傳導。而了解這裡的基礎物理需要對各個缺陷附近的熱流進行精確的實驗測量，這也就是我們的技術可能提供的。」

目前，該團隊正忙於將其測量範圍從2D擴展到3D。Sood還解釋到：「許多技術上重要的材料都會隨著各向異性微觀結構而生長，使熱量在整個厚度內與平面內的流動產生很大的差異，從而構建熱傳輸的三維顯微圖片，使得熱工工程師能夠設計出更好的材料進行熱量管理和布線。」

斯坦福大學主導的項目由國防高級研究計劃署（DARPA）資助。 除了與加州大學洛杉磯分校的Mark Goorsky小組合作外，斯坦福大學的研究人員還與喬治亞理工學院的Samuel Graham及其同事進行了密切合作。

文章來自nanotechweb，原文題目為Grain boundaries limit heat flow in diamond，由材料科技在線匯總整理。

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