金刚石是一种由碳元素组成的晶体材料，具有极高的导热系数，并对应力具有敏感的热响应。这得益于其超高的声速和较弱的声子倒逆散射。随着电子元器件集成化、小型化和性能的迅速提高，其功率密度也越来越高。嵌入式冷却是第三代热管理技术，金刚石是嵌入式冷却模式中理想的热沉材料。近日哈尔滨工业大学红外薄膜与晶体团队通过第一性原理方法预测了块体金刚石应力-热导率依赖关系，并在小尺度应变作用下发现了金刚石热导率的异常增加。
实验研究表明，在室温下表现出最高的κ值，为2400 W m-1 K-1。就导热性而言，金刚石是天然材料的天花板。然而，是不是有可能超过这一热导率(κ)极限呢？应变是调整金刚石物理性能的有效工具。通过施加应力改变金刚石的晶格和碳核周围电子的分布，可以获得金刚石的反常物理性质。比如，在400 GPa的高静水压力下，金刚石的导热系数提高了近5倍。因此，进一步探讨应变工程对金刚石κ的影响具有相当大的科学价值和工程指导意义。
利用声子玻尔兹曼输运方程的第一性原理计算，预测了金刚石沿<100>晶向在三个尺度应变（0.1%、1%和10.5%下）的κ变化。首先利用密度泛函理论预测了金刚石的应力应变依赖性和非应变金刚石的κ温度依赖性，如图1。预测结果与实验结果吻合较好。计算的单轴应变-热导率依赖关系表明，由于非谐原子间相互作用的减弱，金刚石的κ在小尺度单轴应变下异常增加了约15%。
图1 金刚石应力应变依赖关系
图2为不同尺度下单轴拉应力下金刚石κ的温度依赖性。单轴应力的应用并没有改变金刚石κ的温度依赖性。在高温下，声子-声子散射提供了大部分热阻。在这种状态下，温度的升高增加了所有频率下声子的热占用，导致本征三声子散射率增大，κ变小。从图中可以观察到在单轴应变作用下的异常响应：κ随小尺度应变增大，随大尺度应变减小。图2的插图表明，在各向同性拉伸下没有观察到这种现象。这种行为通常在拉伸的二维材料中观察到，一般是热容、群速度和声子寿命协同作用的结果。但0.1%的小尺度应变对声子色散影响微乎其微的体金刚石材料来说，这种热响应是异常的。在室温下，κ最高可增加15%。在100K的低温下，反应更明显，κ可提高约36%。
图2 单轴拉应力下金刚石热导率的温度依赖性
研究预测了体金刚石在不同尺度拉伸应变下的热导率变化情况，发现了小尺度拉伸应变下金刚石热导率的异常增加和大尺度拉伸应变下热导率大幅降低的现象。这些发现将指导分析其他类金刚石结构中热导率对应变的依赖性。小尺度拉伸应变下金刚石展现的超高热导率表明，可以利用局部应变通过建立人工导热通道来调节金刚石的热导率。
化合积电是一家致力于推动金刚石研究和产业化的公司，目前已推动激光器、LED、医疗器械、航空航天、国防军工等领域的金刚石国产化替代。现已有金刚石热沉片、晶圆级金刚石、金刚石基氮化铝、金刚石与氮化镓及硅等材料异质集成。为各领域应用，提供专业领先的金刚石热管理解决方案。
