在电子器件小型化和高密度集成的背景下，芯片散热问题愈发突出，微纳米尺度散热结构的应用被认为是解决热管理问题的有效途径。当散热路径尺度接近能量载流子的平均自由程时，固体中的导热行为可能会偏离傅里叶定律的预测。因此，研究微纳结构的能量输运机理有助于调控和处理热传输问题。
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。
近日，厦门大学于大全教授、林伟毅助理教授团队在纳米尺度下金刚石的热能输运机理研究方面取得重要进展。研究团队探讨了纳米尺度下，单晶金刚石中的热输运现象，提供了超薄结构中二维声子输运模式的新见解。将单晶金刚石减薄到几十纳米数量级，并通过拉曼光谱监测声子能量变化。结果显示，金刚石薄片的热导率κ在温度较高下遵循κ~1/T的衰减规律，与Debye-Callaway模型一致，表明存在Umklapp声子散射。此外，热导率与热传输路径尺度L之间遵循κ~log(L)的对数发散关系，符合Fermi-Pasta-Ulam模型的预测，揭示了金刚石在纳米尺度的二维声子特性。特别是，超薄金刚石仍表现出优异的面内热导率 (2000 W/mK)，显著高于大多数金属和半导体。以上发现扩展了对3D晶体在纳米尺度能量输运的理解，同时表明超薄金刚石在芯片热管理中的应用前景。
研究成果以“Quasi-2D Phonon Transport in Diamond Nanosheet”为题发表在《Advanced Functional Materialsl》期刊。
图1. 金刚石纳米片的SEM、Raman、UV吸收和X-ray表征。
图2. 金刚石纳米片实验装置示意图和使用COMSOL进行传热模拟；以及激光功率与温度的依赖性
图3. 金刚石纳米片热导率测试。
图4. 从散热器到悬浮侧的3D拉曼线扫描图，及不同金刚石纳米片的长度与温度的依赖性。
