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福建物構所林悅團隊 AFM：單分子層界面軟化技術助力高填充量熱界面材料實現低熱阻

2024-04-15 來源：高分子科技

TIM是放置在功率電子器件與散熱器件之間的關鍵材料，它的作用是傳導熱量以保證器件的穩定工作，TIM的性能由其有效熱阻抗R_EFF決定。R_EFF是材料熱阻（R_B）和接觸熱阻（R_C）的和，這兩個參數共同決定了TIM的散熱效率。

圖1 a) 具有TIMs與否對界面處溫度梯度的影響；b) 填充度對R_EFF的影響，其值為R_C和R_B總和。

在工業界，降低R_EFF一直面臨挑戰：在增加TIM填充度的同時降低R_C和R_B往往是相互矛盾的。而林悅團隊通過在商業化Al₂O₃顆粒上施加自組裝單分子層（SAMs）表面改性，成功實現了在增加TIM填充度的同時降低RC和RB。實驗表明，這種方法使得78vol%的TIM的REFF從未改性的2.265 Kcm2/W降至0.169 Kcm2/W。

圖2 a) SAMs在Al₂O₃表面的接枝過程；b) Al₂O₃-SAMs-基體結構示意圖；c) This Work 與其他先進策略下的R_C和R_B對比。

林悅團隊還詳細分析了SAMs的接枝過程以及Al₂O₃與SAMs之間的結合機制，進一步通過紅外光譜（FT-IR）和X射線光電子能譜（XPS）分析證實了SAMs的成功接枝，并觀察到界面鍵合顯著增強。

圖3 a) FT-IR顯示C-H的拉伸振動，來自SAMs中的-CH₃和-CH_2-；b) XPS元素分析表明改性前后C元素的增多；c) 表面能的低證明Al₂O₃表面的SAMs存在，d) XPS中Al 2p的精細譜研究證明Al-O-Si的形成。

這種界面軟化技術使得材料在高應力下的屈服應力（σ_y）顯著降低，表現出更好的流變性能。此外，通過對材料的儲能模量（G''）和損耗模量（G''''）的測試，研究人員發現SAMs的引入還促進了TIM的黏彈性能，有助于進一步強化散熱效果。

圖4 a) SAMs改性前后TIM的R_B和BLT數據和b) R_C數據；c) 屈服應力σ_y；模量G，由儲能模量G''和損耗模量G''''計算獲得；d) TIM中微觀結構的演變。

該研究不僅在理論上提供了新的見解，而且通過實際的循環穩定性測試和散熱能力評估證明了這種新型TIM在實際應用中的潛力。這項工作證明通過分子層面的界面工程可以有效解決宏觀散熱材料設計中的矛盾，該途徑不僅可以保持TIM機械性能，還可以實現高效熱傳導。

圖5 a) 基于T3 ster的裝置示意圖；b) 1000次循環測試其穩定性；c) 相較于商業品的實際散熱能力以及d) 熱成像記錄。

研究的詳細內容可以在《Advanced Functional Materials》上查看，其中有對先進熱界面材料設計至關重要的分子結構和界面改性技術的深入分析。欲了解該研究的更多信息，請訪問原文鏈接；欲了解林悅團隊的更多信息，請訪問課題組鏈接。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402276

課題組鏈接：http://www.fjirsm.ac.cn/ly/

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（責任編輯：xu）

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