Nature：既能传导又能阻挡热量的材料

撰稿 | Blair（西湖大学）

随着电子产品的不断小型化，热量管理逐渐成为电子工程领域的一项重大挑战。发热是电子器件工作时不可避免的副产品，工业界通常使用导热或隔热的材料对其进行热量管理和控制。

但随着电子产品的不断缩小，电子设备冷却和通风系统的空间越来越小，这让电子器件的热学管理变得愈加困难。如果不解决热量管理方面的挑战，很多新兴的电子器件和其应用范围都将受到严重的制约和限制。

图1：新型各向异性热学扭曲材料示意图，通过使堆叠的薄膜层间略微旋转以防止热量在层间传递，同时保证热量仍然能够沿薄膜面内流动。图源：美国芝加哥大学

热点

随着时间的推移，集成电路设备（例如计算机芯片）的尺寸缩小，而晶体管密度已上升到增加功耗已成为问题的阶段。

正如吴军在《全球科技通史》一书中所指出的，“随着半导体集成电路的密度越来越高，它内部的能量密度也在不断提高。今天的半导体芯片单位体积的功耗，已经超过了核反应堆内部单位体积的功率，同时，集成电路所消耗的绝大部分能量，都浪费在控制发热上，没有用于计算。同时，为了给大型计算机设备降温，又需要耗费更多的能量。今天，能耗已经成为信息技术发展的瓶颈，对此，我们每一个使用手机的人都有体会。”

从物理本质上讲，在越来越小的空间中增加更多的功率会导致过热，从而使组件的寿命、性能等发生严重的衰减和退化。因此，保持电子器件低温冷却是决定电子设备速度、效率和可靠性的关键因素。

今天，一些典型数据中心处理器模块的热负载接近超过1kW 。如此高的功耗，再加上芯片表面晶体管发热元件空间分布的不均匀性，导致现代芯片架构可能会产生局部功率密集区域的“热点”，这些“热点”区域的功率密度最高可达芯片平均值的十倍。

由于电子系统性能的木桶短板效应，电子产品的整体可靠性不是由平均芯片温度决定的，而是由最热区域决定的，表面不均匀性暴露了当前材料设计的脆弱性。

各向异性材料

各向异性是指物质的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化，在不同的方向上呈现出差异的性质。各向异性是材料和介质中常见的性质，从晶体到日常生活中各种材料，再到地球介质，都具有各向异性。

研究材料内的热传导各向异性以去除热点是材料科学中一个重要的发展方向。从本质上讲，如果可以构建一种在微观尺度上沿不同方向分别传导和绝缘热量的材料，那么就可以实现热点去除，从而实现电子元件的热管理。

近期，由来自美国芝加哥大学Jiwoong Park教授领导的研究团队找到了一种制造特别适合这项工作的材料。他们创新性的将扭曲这一概念引入热学材料的研究中，基于扭曲理念设计的这些新材料既不是热学绝缘体也不是热学导体，而是可以同时兼有，这意味着它们可以同时在具有高导热性的方向上从热点（局部过热）散发热量，同时在其他方向上提供热绝缘。

该成果以“Extremely anisotropic van der Waals thermal conductors”为题发表在 Nature。

本文作者Jiwoong Park在接受采访时表示，“如果你想一想窗玻璃为我们做了什么——即能够保持房间外部和内部温度不同——你就会明白这中新型热学材料有多大用处。”

分层技术

在这项最新研究中，研究人员使用范德华晶体作为基本材料。通过将石墨和二硫化钼等原子级薄层材料堆叠在一起，利用各层平面内的原子相互作用的强度和特征与沿平面外轴的原子相互作用的强度和特征不同，使得分层材料在不同方向上的传热能力会有很大差异，从而产生各向异性的热导率。

图2：扭曲分层材料中的定向热流，其中层间二维材料的扭曲角度是随机的。这种新型各向异性热学扭曲材料可以在一个方向上实现高热容，在另一个方向上实现高热导。图源：nature

研究人员的实验表明利用范德华晶体的各向异性和层间旋转，可以将堆叠方向的热导率抑制到空气热导率的一半。同时，通过堆叠材料片然后稍微旋转每一片，可以使得热量完全无法在层间垂直传递。然而，热量仍然可以沿着片材本身平面水平流动。

以前，通过人工结构材料（包括由叠层二维板材组成的材料）的热各向异性系数最高记录不超过20，而研究人员在这种新型扭曲范德华材料中实现的热各向异性系数比率可以高达880。

由于金电极是现代电子产品中纳米线的代表，因此在本研究工作中，研究人员使用该扭曲范德瓦尔斯晶体材料用作金电极的散热器在实际应用中进行了测试。研究人员将一个金电极用二硫化钼层覆盖，而另一个则没有用二硫化钼层覆盖。当电流通过电极时，两个金电极都会因焦耳热而升温。该团队发现没有用二硫化钼层覆盖的原始电极因过热而性能迅速下降。然而，由于面内方向的有效散热产生的冷却效果，被二硫化钼覆盖的电极仍然可以高效工作和运行。

未来发展

这种基于扭曲理念设计的范德华各向异性热学材料在诸多方面都有着广阔的应用前景。例如，在电子器件中，这种方法可以用于设计全新的芯片架构，实现芯片更高效率的散热和性能；在产业应用中，这种技术可用于制造隔热罩，不仅可以阻挡热量，还可以将热量带走。这种新型热学材料不仅可以防止电池等组件加热附近敏感的电子设备，还可以防止它们因自身的热量而损坏自己。

面向未来，这样的各向异性范德瓦尔斯扭曲材料不仅限于用二硫化钼制备，还可以使用许多不同的二维材料来实现。由于二维材料可能组合的无限可变性以及二维材料间极强的兼容性，这一研究突破开辟了未来热学研究人工调控材料的热导率的全新领域。

论文信息

Kim, S.E., Mujid, F., Rai, A. et al. Extremely anisotropic van der Waals thermal conductors. Nature 597, 660–665 (2021)

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03867-8