近日，中国科学院福建物质结构研究所林悦/宁波材料所林正得联合团队在导热界面材料（TIMs）研究方面取得新进展。研究面向高功率、高集成电子器件散热“卡脖子”的界面瓶颈，提出“表面能匹配（surface-energy matching）”作为关键设计法则，通过分子尺度的界面调控，实现高填充TIM在“可压薄性”和“界面贴合性”上的协同优化，从而显著降低有效热阻。

  2026年1月30日，相关研究成果以《Surface-Energy-Matched Interfaces as Key Design Rule for Ultra-Low-Resistance Thermal Interface Materials》已于近期发表在国际著名学术期刊《Adv. Funct. Mater.》上。该论文的第一作者是2023级硕士生王志杰；2023级博士生黄家劲全程负责该项目，为论文的共同通讯作者。

  在芯片、功率器件和数据中心等系统中，即使两块表面看起来贴合，微观尺度仍存在大量空隙与接触不连续区域，导致热量在界面处形成明显温降。TIM的目标是填充这些空隙并建立连续热通道，但在工程上常常面临一个“跷跷板”：为提升导热路径需要高填充，然而高填充会使材料更硬、更难压薄，接触热阻反而上升，抵消收益。

图1. TIM 结构、电阻分解与 自组装单分子层（SAM）修饰策略。(a)球栅阵列（BGA）封装示意图：芯片与散热片、散热器之间部署两层 TIM，用于填充空隙、高效导热带走热量。(b) 为热阻分解示意图：有效热阻（R_EFF）由体热阻（R_B=BLT/κ_TIM）和两个界面的接触热阻（R_C1、R_C2）组成，高填料加载降低R_B 但易升高R_C。(c) 为 SAM 修饰 Al₂O₃的两步制备流程：先通过食人鱼溶液羟基化处理 Al₂O₃，再在甲苯中与硅烷自组装形成SAMs修饰填料（S-Al₂O₃）。(d) 为链长调控 SAMs 的作用示意图：通过改变烷基链长（n=1,2,…,18）调节填料表面能与聚合物相容性，优化分散性、缩减粘结层厚度、降低R_EFF。

图2. SAM 链长调控表面能与分散性。(a) 为接触角与表面能变化曲线：未修饰 Al₂O₃（C0）表面能最高，C4 链长时表面能降至最低（18.17 mJ m^-2），与硅酮基体表面能匹配最佳。(b) 为表面能的分散组分（）与极性组分（）分解：短链（C<4）无法充分屏蔽极性位点，长链（C≥12）因伦敦分散力和空间位阻使表面能回升。(c) 为基体与修饰 Al₂O₃的表面能失配率：C4 链长时总失配率、分散组分与极性组分失配率均最低，表面能匹配最优。(d) 为相对粘附功（ΔW_a）曲线：C4 链长时 ΔW_a仅 0.25 mJ m^-2，热力学团聚驱动力最弱，分散稳定性最佳。

图3. SAM-Al₂O₃ TIMs 的热性能与流变性能。(a) 为热导率（κ_TIM）与链长关系：所有链长修饰的复合材料热导率相近，因 78 vol% 填料远超渗流阈值，本体导热主要受填料-填料、填料-基体界面热阻限制。(b) 为有效热阻（R_EFF）与链长关系：C4 链长时 R_EFF 最低（0.142 K·cm² W^-1），未修饰 C0 的R_EFF高达 2.212 K·cm² W^-1。(c) 为体热阻（R_B）与粘结层厚度（BLT）变化：C4 链长时 BLT 仅 20 μm，R_B 显著低于其他链长修饰样品。(d) 为屈服应力（τ_y）与链长关系：C4 链长时屈服应力最低（1.2 Pa），C0 的屈服应力高达 400 Pa，与 BLT 变化趋势一致。(e) 为不同剪切速率下的粘度曲线：C4 修饰样品在低剪切速率下保持形状稳定性，高剪切速率下粘度最低，加工流动性最优。(f) 为载荷下粘结层变薄示意图：C4 修饰样品易发生塑性变形，填充表面微间隙，实现超薄粘结层与良好界面接触。

图4. SAM 功能化界面的纳米力学响应。(a) 为 AFM PeakForce 测试示意图：在 SAM 修饰Al₂O₃基底上旋涂Sylgard 184 PDMS并固化，模拟填料与基体的界面作用。(b) 为典型力-距离曲线：标注了粘附力（F_A）和能量耗散区域，反映界面粘结强度与能量吸收能力。(c) 为不同链长 SAM 的界面模量：C4 链长时模量最低，界面柔韧性最佳。(d) 为最大剥离力（粘附力）与链长关系：C4 链长时粘附力最高，界面结合最牢固。(e) 为能量耗散与链长关系：C4 链长时能量耗散最大，应力松弛能力最优。(f) 为 JKR 拟合的表观杨氏模量：C4 链长时模量显著低于其他链长，与 “分子弹簧” 特性一致。(g) 为性能关联图谱：C4 链长同时实现低 ΔW_a、高能量耗散与最优热性能，三者高度协同。

图5. 不同链长 SAM 的界面响应示意图。示意图对比了短链（C1-C3）、中链（C4）、长链（C5-C18）SAM 修饰填料与硅酮基体的界面行为：短链SAM形成刚性间隔层，PDMS 难以渗透，接触面积有限，R_C较高；中链C4 SAM形成柔性 “分子弹簧”，受压时大幅变形，贴合纳米级凹凸结构，最大化真实接触面积，R_C最低；长链SAM因范德华力密集堆积，阻碍PDMS链缠结，界面易滑移，R_C升高。

主要发现

  本次工作系统构建了从C1到C18的自组装单分子层（SAMs）“链长库”，将其接枝到氧化铝（Al₂O₃）填料表面，在相同装配压力下对比了表面能、分散性、流变行为、键合层厚度（BLT）与有效热阻R_EFF 的耦合关系，得到三点关键结论：1. 存在清晰的最优链长窗口，C4 实现最佳“表面能匹配”：表面能分析显示，C4 条件下填料与硅基体系达到更优匹配，可显著抑制再团聚，提升体系宏观均匀性。2. “压薄”是降低热阻的关键几何杠杆：在相同压力下，C4 使材料更易发生剪切变稀与塑性形变，键合层厚度 BLT 可由未改性样品的约 608 μm 降至约 20 μm，从而显著降低体相贡献热阻。3. 界面“更软、更黏”，接触热阻同步下降：原子力显微镜测量表明，C4 形成一种“分子弹簧”式界面特征，兼具较低界面模量与更强黏附，有助于提升真实接触面积并抑制接触热阻。综合作用下，C4体系由于最佳表面能匹配实现超低有效热阻R_EFF=0.142K·cm² W^-1，并形成可推广的“分子到宏观”设计规则。该成果是团队2024年发表工作的延续（Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2402276）。2024年研究已证明：利用SAMs进行界面工程，可在高填充TIM中同时降低体相热阻与接触热阻。2026年工作进一步回答“为什么会出现最优点、如何稳定复现”，通过系统链长筛选将经验优化提升为可复用的设计准则。

意义与应用前景

  “表面能匹配”提供了一条面向工程落地的优化路径：不只追求更高导热系数，更强调让材料在封装压力下“压得更薄、贴得更紧”。该策略有望为高功率密度芯片、功率电子封装、服务器与数据中心热管理等应用中的TIM选型与配方设计提供可操作的指导。

  林悦研究团队专注热输运物理学、极限热功能材料、及先进热管理器件，近3年取得了系列进展：

  Newton, 2025, 1, 100008;

  Nature Communications, 2025, 16,11071;

  Adv. Mater. 2025, 37, 2417594;

  Mater. Horiz., 2025, 12, 6765–6773；

  Adv. Funct. Mater. 2024, 2419776；

  Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2402276；

  ACS Materials Lett. 2024, 6, 4351?4359；

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202531931