来源：Darren DT半导体

近日，厦门大学微电子与集成电路系和物理系的研究团队揭示了纳米级厚度金刚石薄片中的准二维声子传导特性。随着现代电子器件的不断小型化和高密度集成，热管理问题变得尤为重要。在此背景下，金刚石凭借其极高的热导率，成为解决热管理问题的理想材料之一。然而，尽管金刚石在宏观尺度下的热导特性已经得到了广泛的研究和认可，其在纳米尺度下，尤其是厚度仅为几十纳米的金刚石薄片中的声子传导行为仍不完全清楚。特别是其准二维的声子传导特性在金刚石薄片中的表现尚未有系统研究。
为了解这一科学问题，研究团队采用了先进的实验方法和技术。首先，他们通过聚焦离子束技术（FIB）成功制备了厚度小于100纳米的金刚石薄片。该技术确保了样品的极薄厚度和均匀性，使得后续的热导测量更为精确。然后，研究团队将这些薄片固定在铂/铜散热器上，通过拉曼光谱技术测量其热导率。拉曼光谱技术被选择作为主要的实验手段，因为它可以提供高空间分辨率，并覆盖广泛的温度范围，非常适合研究二维材料的热传导特性。实验的主要目的是探究在不同温度条件下，金刚石薄片的热导率如何变化。实验结果显示，当温度超过140K时，金刚石薄片的热导率与温度呈反比关系，表明声子Umklapp散射在这些薄片中起到了主导作用。Umklapp散射是一种声子间相互作用的形式，通常在较高温度下限制声子的自由传播，导致热导率随温度升高而下降。研究团队还发现，尽管这些金刚石薄片的厚度减小至60纳米，其热导率仍然保持在非常高的水平。具体而言，无色样品的热导率在1100至2000 W/mK之间，而棕色样品的热导率则在650至1200 W/mK之间。相比之下，这些数值远高于大多数金属和半导体材料的热导率，进一步证明了金刚石薄片在纳米级厚度下仍具备优异的热传导性能。

A,B) SEM images of the diamond nanosheet; Spectroscopic analyses including C) low-temperature Raman (with inset: scatter data that area derived from 40 × 40 array Raman maps), D) PL, E) UV absorption, and F) X-ray diffraction. 图源：《Quasi-2D Phonon Transport in Diamond Nanosheet》此外，实验揭示了金刚石薄片中的热导率与样品长度之间存在对数依赖关系，这种现象在二维材料中也曾被观察到，表明金刚石薄片中的声子传导具有准二维特性。声子的平均自由程（MFP）对热导率的长度依赖性有显著影响，特别是在短热传输长度时，这种长自由程声子的贡献更加明显。这一发现进一步揭示了金刚石薄片中声子传导的复杂性和独特性，特别是在微纳尺度下。

A) Schematic of the experimental setup; B) COMSOL simulation of heat transfer in the nanosheet; C) 𝜔_D redshift as laser power increases at room temperature (RT); Temperature dependence of 𝜔_D using D) low and E) high laser power; The 𝜔_D versus T scatter plots of F) the brown and G) the colorless nanosheets. Open circles signify low-power calibration data, and solid circles denote high-power heating data. 图源：《Quasi-2D Phonon Transport in Diamond Nanosheet》研究结果表明，金刚石薄片在纳米尺度下表现出独特的准二维声子传导行为，这对纳米级热管理和高效热设备的发展具有重要的应用潜力。随着样品长度的增加，热导率呈现出对数增长的特性，这进一步支持了金刚石薄片在微纳电子器件中的应用前景。研究表明，尽管金刚石薄片在尺寸和厚度上有所缩小，但其在热管理方面的潜力依然巨大，为未来开发新型高效热管理系统提供了重要的理论基础和实验依据。

A) Thermal conductivity of diamond nanosheets as the function of temperature compared with reference data of type II, nitrogenfree, and nitrogen admixturesamples; B) Thermal conductivity at RT of diverse materials, including diamond nanosheets, carbon materials, semiconductors, and metals. The measurement error for 𝜅_br and 𝜅_co is estimated at 22.8% and 19.3%, respectively. For details of error calculations, see Tables S1 and S2 (Supporting Information).  图源：《Quasi-2D Phonon Transport in Diamond Nanosheet》本研究得到了中国国家自然科学基金、福建省自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的支持。这项研究不仅为低维材料中的热传导机制提供了新的视角，还为未来的纳米技术应用奠定了坚实的基础。未来，研究团队计划进一步探索不同掺杂浓度、晶格应变等因素对金刚石薄片热导率的影响，并通过与其他低维材料的比较研究，更全面地揭示金刚石薄片在纳米技术中的独特优势。

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