Elucidatig the mechanism and promoting the thermal conduction at mismatched interface

阐明失配界面的机理并促进热传导

• 批准号: 22K14189
• 负责人: 許 斌
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14189/
• 关键词: ミスマッチ界面; グラフェン; ダイヤモンド; 自己組織化単層膜; 界面; 熱伝導; ミスマッチ界面; グラフェン; ダイヤモンド; 自己組織化単層膜; 界面; 熱伝導

本研究は、デバイスの放熱に重要な役割を持つ放熱複合材料の高熱伝導率化を実現するために、フォノン周波数が大きく異なるフィラーと母材間の界面熱伝導（TBC）を向上させることを目的としている。この目的を達成するには、未だに確立されていないミスマッチ界面での熱伝導のメカニズムを解明することが重要である。また、将来的には、複合材料の大規模生産に向けて、マイクロ粒子にも適用可能な高効率かつスケーラブルな界面修飾技術を開発する必要がある。これら2つの目的を達成するために、本研究の1年目では金属・ダイヤモンドのモデル実験系に異なる界面構造を作成し、界面近傍のフォノン状態を制御することで、TBCの変化を調べました。具体的には、(1) 自己組織化単相膜（SAM）で修飾した界面と(2) グラフェン挿入した界面でのTBCを時間領域サーマルリフレクタンス法（TDTR）で測定した。その中で、(1) SAM修飾した界面でのTBCは予想外の非単調な傾向を示した。また、同様なSAMで修飾したミスマッチの小さい銅・サファイア、銅・シリコン界面では、TBCが一定であることから、界面でのフォノンミスマッチは、SAM中のフォノン輸送の振る舞いを大きく左右することを示唆されている。また、SAMは長さによって弾性率が異なるため、その界面層の弾性率はフォノンの非弾性散乱に寄与して熱の輸送を決定することが判明した。（２）グラフェンを挿入した場合のTBCについて調査された結果、銅・ダイヤモンド界面において、アルミニウム・サファイア界面で観察されたグラフェンの挿入による界面結合強度の低下およびそれによるTBCの減少は、グラフェンのフォノン架橋効果によって防ぐことが示唆された。これは、本研究で期待されている2次元材料による界面TBCの促進効果の可能性を実証したものである。

这项研究旨在改善具有明显不同的声子频率和基本材料的填充剂之间的界面热电导率（TBC），以实现高温耗散复合材料的高热电导率，这在设备的热量耗散中起着重要作用。为了实现这一目标，重要的是要了解尚未确定的不匹配界面的热传导机制。将来，有必要开发高效且可扩展的界面修饰技术，这些技术可以应用于微粒，以便大规模生产复合材料。为了实现这两个目标，在本研究的第一年中，我们在金属和钻石的模型实验系统中创建了不同的界面结构，并通过控制界面附近的声子状态来研究TBC的变化。具体而言，在（1）用自组装的单相膜（SAM）和（2）用石墨烯插入的界面修饰的界面通过时间域热反射率（TDTR）测量。其中，（1）在SAM修饰界面处的TBC显示出意外的非单调趋势。此外，由于TBC在铜赛和铜 - 硅质界面上的恒定是通过相似SAM修饰的小不匹配的铜接口，因此建议界面处的声子不匹配极大地影响了SAM中声子运输的行为。此外，由于SAM的弹性模量取决于长度，因此发现界面层的弹性模量有助于声子的非弹性散射并确定热的传输。 （2）当插入石墨烯时对TBC的研究表明，在铜钻石界面上，由于石墨烯的声音交联作用，可以预防石墨烯插入的界面键强度下降，而TBC的降低则可以减少。这证明了通过二维材料促进界面TBC的潜力，这在本研究中可以预期。