通过声子桥梁提高硅/金刚石异构结构的界面热导率

本研究探讨了利用声子桥梁提高硅/金刚石（Si/Diamond）异构结构界面热传递性能的机制。将第一性原理计算与蒙特卡罗方法相结合，开发了针对三层异构结构的热传递模型。比较了有无硅碳化物（SiC）衬层的 Si/Diamond 异构结构的温度分布、谱热导率和界面热导率。结果表明，SiC 衬层有效地将 Si 中的低频声子与 Diamond 中的中高频声子桥接起来，形成特定的声子桥梁，显著改善了界面声子传递。进一步研究了 SiC 衬层厚度的影响，揭示了声子桥梁增强具有尺度依赖性。对于薄型衬层，声子边界散射加剧会削弱桥接效应。相反，过厚的衬层会增加整体的 bulk 热阻，从而降低界面热导率。因此，存在一种最佳衬层厚度，SiC 的最佳衬层厚度为 40 nm。比较了 13 种候选衬层材料，包括 SiC、AlN、$\alpha$-Si3N4、$\beta$-Si3N4 和 Al$_x$Ga$_{1-x}$N（$x$ 范围为 0.1 到 0.9），在 various 厚度下进行比较。SiC 作为最佳衬层材料，可将界面热导率提高 46.6%，优于双层异构结构。AlN 次之，提升 21.9%。这些发现为理解异构界面热传递中的声子桥梁机制提供了必要见解，并为设计具有增强热传递性能的异构结构提供了有价值的理论指导。