南京理工大学李强教授团队JAP:纳米结构增强界面热传输的微观机理与优化设计

随着电子设备功率密度的不断提升，有效的热管理已成为保障设备高效稳定运行的关键。金刚石等高导热材料基底的使用使得由晶格失配、缺陷等因素引起的界面热阻逐渐成为芯片内部的主导热阻。以AlGaN/GaN-金刚石晶体管为例，界面热阻引起的温升占总温升的比例超过40%，这严重制约了器件的性能和可靠性。因此，提升界面热导已成为电子器件热管理领域的重要研究课题。

近年来，纳米结构界面方法被提出并经实验验证可有效改善界面传热。研究表明，采用纳米结构可使Si/金刚石界面的界面热导提升65%，Al/Si界面的热导提升88%。然而，实验测得的纳米结构界面热导增强比均低于仅考虑面积增强作用的理论结果，这意味着存在其他效应削弱了纳米结构的界面热导增强效果。此外，不同结构形貌和尺寸如何影响全频谱声子的界面传输机制尚不明确，亟需深入研究纳米结构形态和尺寸变化对不同频率声子传输路径和热导贡献的影响规律。

研究内容

本研究开发了一种多尺度方法来研究纳米结构界面的热传输特性，该方法结合了密度泛函计算、蒙特卡罗模拟和扩散失配方法。以Si/Ge界面为研究对象，系统考察了三角形、梯形和矩形等不同纳米结构形貌对界面热导的影响，并深入分析了纳米结构尺寸变化（高度H、底部宽度W）对热传输行为的作用规律。

研究构建了包含两种材料的计算域，通过改变梯形纳米结构的顶宽与底宽之比β（从0到1），涵盖了从三角形（β=0）到矩形（β=1）的完整形态变化。采用基于方差缩减的蒙特卡罗方法模拟声子输运过程，并设置了40000个观测者来获取温度分布和热流分布。同时，建立了晶格玻尔兹曼模型进行对比验证，以评估灰体近似方法的适用性边界。

核心发现

研究发现，与三角形和梯形纳米结构相比，矩形纳米结构更有利于增强反射声子再次遇到界面的概率，从而提升声子界面透射率。纳米结构使界面热流呈现极强的非均匀性，在侧壁处产生显著的横向热流，形成了新的热传导路径。多次反射现象对具有较大自由程但透射率较低的声子更有利于增强界面传输，而纳米结构对具有小自由程或高透射率的声子的界面传输增强作用则不显著。

图1 不同顶宽底宽比β下，纳米结构形状对界面热导增强比RG、面积增益比RA和声子平均界面散射次数Nave的影响

如图1所示，随着β从0（三角形）增加到1（矩形），界面热导增强比RG和声子平均界面散射次数Nave均呈上升趋势。对于矩形结构，Nave达到2.07，远高于平面界面的1.03，表明纳米结构显著增加了声子遇到界面的概率。然而，RG从面积增加和Nave提升中获得的收益有限，暗示其他因素共同主导了纳米结构界面的强化效果。

图2 平面界面与不同β值（0、0.5、1）纳米结构界面的温度分布、y方向热流分布和x方向热流分布对比

从图2的温度和热流分布可以看出，纳米结构改变了热传输方向，在侧壁处提供了额外的传热路径。以矩形纳米结构为例，大部分y方向热流聚集在纳米结构内部和间隔区域，而在接触界面处的y方向热传递较低。从x方向热流分布可见，纳米结构区域附近的材料1存在明显的热集中，同时在纳米结构侧壁观察到显著的横向热流。这意味着纳米结构改变了热传递方向，虽然抑制了界面处的声子传输，但在侧壁开辟了新的导热通道。

研究还揭示了"双重透射"现象：当纳米结构侧壁间距较小时，透射的声子可能重新遇到界面并透射回原始材料，这种双重透射现象削弱了通过纳米结构侧壁的横向热流，对大自由程的低频声子有显著影响。多次反射和双重透射两种现象共同作用，导致了存在使纳米结构对界面热传输增强效果最大化的最优尺寸。

图3 不同宽度W和高度H的矩形纳米结构的界面热导增强比RG和平均声子散射次数Nave，以及声子多次反射和双重透射机制示意图

如图3所示，当纳米结构高度为100 nm时，最优宽度为100 nm，最大界面热导增强比可达1.31。当高度较低时，较小的宽度更有利于增强界面热传输，因为可以获得更大的Nave；但随着高度增加，会存在一个使RG最大的最优宽度。这是因为小宽度在固定高度下显著增加了声子撞击界面的概率，而较大的宽度降低了声子遇到界面的概率。

结论与应用价值

本研究通过结合密度泛函计算、蒙特卡罗模拟和扩散失配方法的多尺度方法，系统研究了纳米结构界面热传输特性。研究表明，矩形纳米结构通过增加声子多次反射的概率来增强界面透射率，形成了新的导热路径；同时发现存在最优纳米结构尺寸可使界面热导增强效果最大化，在高度为100 nm、宽度为100 nm时，界面热导增强比达到1.31。

这些结果为实际高功率芯片界面传热增强结构的设计提供了重要指导。在高功率电子器件热管理中，通过优化纳米结构的几何形貌和尺寸，可有效降低界面热阻，提升器件的散热能力和工作可靠性。该研究方法和发现对异质集成电子器件、宽禁带半导体器件等领域具有重要的工程应用价值。

论文信息：Luo W, Wang N, Lian W, et al. Enhancing interfacial thermal transport by nanostructures: Monte Carlo simulations with ab initio phonon properties. J. Appl. Phys., 2025, 137: 065102. DOI: 10.1063/5.0243745