福建物构所林悦团队 AFM：单分子层界面软化技术助力高填充量热界面材料实现低热阻

2024-04-15 来源：高分子科技

TIM是放置在功率电子器件与散热器件之间的关键材料，它的作用是传导热量以保证器件的稳定工作，TIM的性能由其有效热阻抗R_EFF决定。R_EFF是材料热阻（R_B）和接触热阻（R_C）的和，这两个参数共同决定了TIM的散热效率。

图1 a) 具有TIMs与否对界面处温度梯度的影响；b) 填充度对R_EFF的影响，其值为R_C和R_B总和。

在工业界，降低R_EFF一直面临挑战：在增加TIM填充度的同时降低R_C和R_B往往是相互矛盾的。而林悦团队通过在商业化Al₂O₃颗粒上施加自组装单分子层（SAMs）表面改性，成功实现了在增加TIM填充度的同时降低RC和RB。实验表明，这种方法使得78vol%的TIM的REFF从未改性的2.265 Kcm2/W降至0.169 Kcm2/W。

图2 a) SAMs在Al₂O₃表面的接枝过程；b) Al₂O₃-SAMs-基体结构示意图；c) This Work 与其他先进策略下的R_C和R_B对比。

林悦团队还详细分析了SAMs的接枝过程以及Al₂O₃与SAMs之间的结合机制，进一步通过红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）分析证实了SAMs的成功接枝，并观察到界面键合显著增强。

图3 a) FT-IR显示C-H的拉伸振动，来自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) 表面能的低证明Al₂O₃表面的SAMs存在，d) XPS中Al 2p的精细谱研究证明Al-O-Si的形成。

这种界面软化技术使得材料在高应力下的屈服应力（σ_y）显著降低，表现出更好的流变性能。此外，通过对材料的储能模量（G''）和损耗模量（G''''）的测试，研究人员发现SAMs的引入还促进了TIM的黏弹性能，有助于进一步强化散热效果。

图4 a) SAMs改性前后TIM的R_B和BLT数据和b) R_C数据；c) 屈服应力σ_y；模量G，由储能模量G''和损耗模量G''''计算获得；d) TIM中微观结构的演变。

该研究不仅在理论上提供了新的见解，而且通过实际的循环稳定性测试和散热能力评估证明了这种新型TIM在实际应用中的潜力。这项工作证明通过分子层面的界面工程可以有效解决宏观散热材料设计中的矛盾，该途径不仅可以保持TIM机械性能，还可以实现高效热传导。

图5 a) 基于T3 ster的装置示意图；b) 1000次循环测试其稳定性；c) 相较于商业品的实际散热能力以及d) 热成像记录。

研究的详细内容可以在《Advanced Functional Materials》上查看，其中有对先进热界面材料设计至关重要的分子结构和界面改性技术的深入分析。欲了解该研究的更多信息，请访问原文链接；欲了解林悦团队的更多信息，请访问课题组链接。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202402276

课题组链接：http://www.fjirsm.ac.cn/ly/

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（责任编辑：xu）

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