实验
大多数可导热材料，其微观结构中都存在着晶界等缺陷，而这将会影响其在纳米尺度上传输热量的效率。就在前不久，斯坦福大学的Kenneth Goodson领导的一个研究小组开发了第一个用于可视化多晶金刚石中单个晶界附近热流的局部变化的实验技术，并在无序边界附近观察到局部热导率降低了近两倍。这一技术的研发对于开发更有效地去除电子器件中多余热量的材料是非常重要的。
热量散失是电子设备中的主要问题，而当前，随着电子设备变得越来越小巧，热量散失的问题变得更为严重，换句话说，热量散失问题已经成为进一步小型化组件的主要障碍。为了应对这一挑战，研究人员提出，合成多晶金刚石可能是下一代散热材料的理想选择。然而，了解晶界如何影响这种材料的热流动，对于确定热管理应用程序的好坏至关重要。
团队成员和研究的主要作者Aditya Sood解释说：“到目前为止，研究人员已经利用间接技术研究了晶粒结构与热传输之间的关系，而这些技术的平均效果取决于数千个晶界的影响。尽管这些测量有用，但几乎没有提供有关个体边界附近热流特性的直接信息。而我们的方法是基于称为时域热反射（TDTR）的超快光泵浦探测技术，使我们能够测量单颗粒水平的热传输。”
构建导热系数的二维图
他还解释到:“该技术涉及使用短脉冲光，每个持续约十亿分之一秒来加热材料表面。而当热量离开材料表面时，我们使用第二组脉冲来探测温度在纳秒级上衰变的速率。这种热流率可以定量地与底层材料的局部热导率相关联。
研究人员称，通过将激光聚焦到一个小斑点并利用高精度档对样本进行光栅扫描，从而构建二维热导率图。而在这些实验中，所面临的最大挑战就是能够精确定位材料中的晶界，且确保在样品上的相同位置进行热传输测量。为了可以更好的测量，研究人员与加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的电子显微镜专家Mark Goorsky进行了密切合作，利用电子背散射衍射（EBSD）的技术生成了每个晶粒局部晶向的马赛克图像。
Sood告诉nanotechweb.org ：“我们工作的一个独特之处在于我们使用的这两种技术是具有关联性的，从而使得我们能够在局部导热系数和底层晶粒结构之间建立直接的视觉联系，然而，这种对应在之前是从来没有被以如此清晰地呈现出来的。”
局部热导率降低两倍
研究人员观察到硼掺杂多晶金刚石的局部热导率降低了近两倍。Sood对此进行了说明：“由于热能载体（声子）在无序晶界处的强烈散射，这种热流受到了很大的抑制，有趣的是，我们检测到这种导热性能的下降远离晶界几微米。我们认为，这种非局部效应部分来自于由具有长平均自由程的声子传递热量，换句话说，原子振动能够在没有散射的情况下传输大量热能。”
对于使用诸如高导电性合成多晶金刚石材料的电子器件的热管理来说，结果可能是重要的。 “虽然具体细节肯定与材料有关，但我们已经表明，在评估其作为散热基材的性能时，需要考虑材料基础微观结构的不均匀性。”
“我相信随着器件尺寸开始变得与多晶衬底中的固有缺陷长度尺度相当，材料基础微观结构的不均匀性将变得越来越重要。”
展望
Sood说：“除了晶界之外，新的相关显微镜方法也可能用于研究振动传热载体与其他类型晶体缺陷（位错，沉淀物和毛孔等）的相互作用。热电学作为受益的重要领域，其中多尺度缺陷被有意结合到材料中以阻止热传导。而了解这里的基础物理需要对各个缺陷附近的热流进行精确的实验测量，这也就是我们的技术可能提供的。”
目前，该团队正忙于将其测量范围从2D扩展到3D。Sood还解释到：“许多技术上重要的材料都会随着各向异性微观结构而生长，使热量在整个厚度内与平面内的流动产生很大的差异，从而构建热传输的三维显微图片，使得热工工程师能够设计出更好的材料进行热量管理和布线。”
斯坦福大学主导的项目由国防高级研究计划署（DARPA）资助。 除了与加州大学洛杉矶分校的Mark Goorsky小组合作外，斯坦福大学的研究人员还与乔治亚理工学院的Samuel Graham及其同事进行了密切合作。
文章来自nanotechweb
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