随着电子器件功率密度的持续攀升，热管理系统面临着前所未有的挑战。在高功率应用场景中，如电动汽车与手机的快速充电，电池或芯片的热失控已成为引发安全事故的主要原因。为提高系统的散热效率，二维材料如石墨烯和六方氮化硼纳米片（BNNS）因其超高的平面热导率而备受关注，已被广泛用于散热膜进行高效均热。然而，当这些二维材料用作热界面材料（TIM），高接触热阻严重限制其应用。目前具有高热导率的垂直序化的二维材料被广泛报道，但二维材料在复杂界面的热传导机制仍不明晰，限制其性能进一步提升。此外，高端TIM市场目前由国外企业垄断。因此，二维材料在复杂界面处的热传输机制理解、高性能二维材料TIM的设计及规模化制备，成为亟待解决的卡脖子问题。
图1. 弧形结构BNNS-TIM的制备技术与微观结构
图2. BNNS-TIM的导热性质
针对这一挑战，清华大学深圳国际研究生院丘陵团队提出了界面声子桥策略，旨在降低二维材料TIM的接触热阻。该团队发展了一种易量产的加工方法，利用高分子基底的粘塑性，在剪切应力下诱导BNNS旋转，形成了独特的弧形结构。具有弧形结构的BNNS-TIM不仅显著降低了接触热阻（低至0.059 in² W K⁻¹），还具有高达20.95 kV mm⁻¹的介电强度，使其能应用于快充电池散热等高压散热场景。此外，通过分子动力学模拟，研究了BNNS搭接角度对于界面声子传输行为的影响，揭示了其低热阻与二维材料中定向声子散射导致的接触角度依赖的热传导密不可分。该制造方法简单易量产，展现了在快充电池散热应用中的巨大潜力。该工作加深了对二维材料组装体声子输运行为的理解，为发展二维材料基高性能热界面材料的制备提供了新的思路。
图3. 界面声桥策略有效性的实验和理论研究
相关研究成果以“通过界面弧状声子桥实现低热接触电阻氮化硼纳米片复合材料”（Low thermal contact resistance boron nitride nanosheets composites enabled by interfacial arc-like phonon bridge）为题，发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。
清华大学2020级硕士生詹科、2021级硕士生陈宇聪为论文共同第一作者，清华大学深圳国际研究生院副教授丘陵，中国科学院深圳先进技术研究院教授成会明，华南理工大学教授熊志远为共同通讯作者。合作者还包括清华大学深圳国际研究生院副教授孙波、2022级博士生丁斯远、2021级硕士生张羽伦，澳大利亚莫纳什大学博士生高级讲师刘闽苏、甄方正，欣旺达电子股份有限公司刘仕臻。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47147-1
文：詹科、陈宇聪
编辑：戴雨静
审核：陈超群
