郑州大学团队在金刚石散热应用方面取得重要进展!

近日，郑州大学物理学院金刚石材料与器件团队在金刚石散热应用方面取得重要进展，通过“金属辅助外延生长策略”实现了高质量高取向β‑Ga₂O₃在金刚石上的异质外延，该异质界面表现出高界面结合力及界面热导，相关成果发表于《National Science Review》，郑州大学博士生皇文涛、河南省科学院李跃辉博士、北京大学白天琦博士和苏州实验室周敬博士为共同第一作者，郑州大学李星教授、程少博教授、单崇新教授和北京大学高鹏教授为共同通讯作者。

随着电动汽车、数据中心和电网设备等领域对高功率电子器件需求的不断攀升，氧化镓（β‑Ga₂O₃）因其超高击穿电场而成为下一代功率电子器件的重要候选材料。然而，β‑Ga₂O₃极低的热导率（11-27 W·m⁻¹·K⁻¹）使得散热问题成为其未来功率器件发展的瓶颈问题之一。器件工作时产生的大量热量若无法及时散出，极易导致其性能下降甚至失效。

为了给氧化镓找个顶级的“贴身散热保镖”，科学家们看中了自然界的导热之王——金刚石（热导率高达2200 W·m⁻¹·K⁻¹）。若能实现二者的高质量键合，将有效降低器件热点温度。由于金刚石与β‑Ga₂O₃的晶格参数、热膨胀系数及声子态密度差异显著，目前所构筑的键合界面通常存在晶体质量差、结合力弱以及界面热阻高等问题，热量在界面处就像遇到了堵车，难以实现高效散热。

具高界面结合力和高界面热导的β‑Ga₂O₃/金刚石异质界面

1. 利用金属镓与金刚石界面反应构筑原子级平整的共价键合界面

研究者采用化学气相沉积法（CVD），利用高温下金属镓对金刚石的催化刻蚀作用，暴露出原子级平整的(111)金刚石表面，进一步在低氧氛围下金属镓氧化形成β‑Ga₂O₃。由于β‑Ga₂O₃ (-201)面上O原子的排布与金刚石(111)面C原子相似，二者在界面处以C-O共价键结合，β‑Ga₂O₃薄膜体现出(-201)择优取向生长。

金属镓辅助β‑Ga₂O₃薄膜在金刚石表面外延生长机理及界面结构

2. 界面处C-O共价键形成实现超高异质界面结合力

在微电子器件中，材料间热膨胀系数的差异对界面结合强度提出了较高要求，尤其是在高频、高功率或者温度变化较大的应用环境下。两相界面的结合强度对热载体在界面处的传递效率也具有重要影响。

由于该方法所构筑的β‑Ga₂O₃/金刚石异质界面由C-O共价键结合，中间没有任何非晶过渡层，原位拉伸结果显示断裂位置出现在β‑Ga₂O₃一侧，该界面断裂强度>2.09 GPa。这说明界面C-O共价键强度高于β‑Ga₂O₃内部的Ga-O键，二者实现了高强度“焊接”。

异质界面通过C-O共价键实现超高界面断裂强度

3. 异质界面新声子模式辅助实现高界面热导

研究者进一步利用四维电子能量损失谱技术（4D-EELS）在所构筑的原子级外延界面处发现了高效热传导的“隐形功臣”——局域化界面声子模式。该界面声子模式作为“声子桥梁”弥补了两种材料的声子失配，大幅强化了非弹性散射，让热量像跑接力赛一样顺畅地跨越界面。利用时域热反射测量技术测得其界面热导（TBC）达到165.4 MW·m⁻¹·K⁻¹。

异质结界面处新声子模式辅助实现高效界面热导

该工作得到了国家自然科学基金、河南省国际科技合作项目等项目资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag308

课题组简介：

郑州大学物理学院金刚石材料与器件团队主要依托河南省在金刚石超硬材料领域的产业优势，聚焦金刚石领域的前沿科学问题与共性关键技术开展研究。团队一方面探索金刚石领域国际学术前沿，另一方面努力推进产学研结合，部分研究成果在上市公司实现转化。产学研合作结果曾受到中央电视台、新华网、国家自然科学基金委、《光明日报》、《中国科学报》等媒体报道。