近日，北京航空航天大学、中国科学院工程热物理研究所、上海交通大学和香港城市大学团队在《Applied Surface Science》发表研究成果，系统揭示W(WC)纳米界面层厚度与金刚石/铜界面热导率之间的关系。
研究内容
金刚石/Cu复合材料兼具高热导潜力和可调热膨胀系数，但金刚石与Cu润湿性差、声学失配明显，实际界面传热远低于预期。引入W或WC界面层能够改善结合，但界面层究竟应该多厚，过去缺少直接、系统的纳米尺度实验依据。研究团队通过磁控溅射制备不同W、WC厚度的金刚石/W(WC)/Cu纳米层状样品，以研究界面层厚度对热载流子跨界面传输的影响。
TDTR设备的作用
研究采用AUTINST（昊远精测）Pioneer-ONE TDTR系统，直接测量各层状结构的界面热导率。泵浦光产生瞬态温升，探测光记录金属表面反射率随延迟时间的变化，再结合多层传热模型提取界面热导。相较于先测复合材料宏观热导率再反演界面参数，TDTR能够直接对纳米界面层进行灵敏表征，从而分辨数纳米厚度变化引起的非单调热输运响应。样品表面粗糙度均低于10 nm，也为稳定的光学信号和可靠拟合提供了条件。
研究成果
Pioneer-ONE TDTR系统测量发现，无界面层时界面热导率为57.5 MW/(m²·K)。随着界面层增厚，热导率并非持续下降或上升，而是呈现“先升后降”：W层厚度为20 nm时达到101.5 MW/(m²·K)，WC层厚度为15 nm时达到88 MW/(m²·K)。继续增厚至W 100 nm和WC 40 nm后，界面热导率分别降至66.25和53.5 MW/(m²·K)。结合显微结构表征及声学失配模型，研究认为：过薄界面层会增强边界散射；当厚度接近热载流子平均自由程时，跨界面传输有效；界面层过厚后，体热阻和缺陷散射重新占据主导。
结论与设备价值
研究证明，纳米界面层并非越薄越好，而是存在与载流子平均自由程相关的佳厚度。Pioneer-ONE TDTR系统将不同厚度样品的界面热导直接量化，使研究人员能够从“经验选择界面层”转向“依据实测热输运峰值优化界面”。该能力可用于金刚石/金属复合材料、功率器件散热层及多层热管理结构的工艺筛选。
