信息来源：东京大学
目前，高速通信和电动汽车中使用更高集成度的电力电子器件，导致焦耳热变得更加密集，因此必须提高导热材料的性能以快速消散焦耳热。由软基材和具有高导热性的硬填充材料组成的复合材料常被用作设备与散热器之间的导热材料，但目前的情况是填料的高导热性无法得到充分利用，因为填料与母材的界面处会产生热阻。为了提高界面的热导率，增加界面的结合力（键合）是最直观，也是传统的做法。
图：更高的集成度导致焦耳热更加密集
传统的看法是，由具有高导热性的软基材和硬填充材料组成的高导热复合材料，其基材与填充材料之间的结合力越强，其导热性越强，热传导性会得到改善。东京大学研究小组在金刚石基板表面形成自组装单层并在其上沉积铜的实验系统中，用自组装单层粘合软铜和硬钻石之间的界面，通过改变自组装单层分子末端的官能团来改变界面的结合强度，同时通过时域热反射法系统的测量界面的热导率。结果发现，以弱范德华力结合的界面比以强共价键结合的界面显示出更高的热导率。
图：由自组装单层粘合的固体界面
他们在其他材料制成的基底上进行的实验和分子动力学模拟也揭示了这一机制：当两种材料的硬度相差很大时，热阻的主要原因不是结合键的薄弱，而是晶格振动难以传递，因为晶格振动频率相差很大。 在铜和钻石的实验系统中，自组装单层的作用是在两种材料之间架起振动的桥梁，研究发现界面上的结合越弱，越容易得到桥接效应，因为自组装单层的晶格振动频率介于两种材料之间。研究小组实验了其它材料，当基底换为比金刚石更软的材料，如硅，这种趋势消失了，此时强粘合界面的热导率增加。为了澄清这一现象的机制，研究小组通过分子动力学模拟分析界面附近的声子状态及其传输特性。发现，除了结合的强度，另一个可以影响界面导热性的因素是两种材料的声子频带在界面上的重叠程度。正如声音不太可能穿过具有不同声学阻抗的材料之间的界面一样，声子频段的少量重叠意味着声子不太可能穿透界面。分析表明，在铜和钻石复合体系下，后者声子频带的影响大于结合的影响。在这种情况下，自组装单层有效地增加了界面上频带的重叠，使声子更容易穿透，界面上的键越弱，重叠越大，自组装单层的声子频带介于铜和金刚石之间，因此材料的导热性得到改善。研究结果，最早于2021年4月23日以论文“Weaker bonding can give larger thermal conductance at highly mismatched interfaces”发表在美国科学期刊《Science Advances》的在线公告版上。
截图自Science Advances
基于研究结果，研究小组提出在开发由软基材料和硬填料组成的高导热复合材料时，设计准则与传统认知将明显不同，如果有意削弱界面处的结合，则复合材料的导热系数会更高，有助于提高高导热复合材料的性能。散热材料的导热性是一个重要问题，直接关系到高速通信或电动汽车等电力电子设备的性能和稳定性。本研究建立了一个通过中间层增强界面热传导的综合模型，提供了对界面声子传输的全面理解，统一了物理和化学理解，并允许对各种材料系统中的热传输进行界面定制，适用于各种系统的热管理材料。
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