钨中间层碳化过程中金刚石/铜界面结构演化与界面热导率的关联机制研究

《Materials Advances》：Correlation mechanism between the diamond/Cu interface structure evolution and interfacial thermal conductivity during the carbonization of W interlayer

本文通过磁控溅射与真空退火构建金刚石/W(WC)/Cu纳米结构，结合高分辨透射电镜(HRTEM)和时域热反射法(TDTR)，揭示了钨中间层碳化过程中界面结构演化对界面热导率(ITC)的调控机制。研究发现连续碳化钨层的形成可优化热载流子跨界面传输效率，使ITC在1273 K退火60分钟时达峰值93.8 MW/(m2·K)，为高性能电子器件热管理材料设计提供理论依据。

　　

亮点

通过磁控溅射与真空退火构建了不同碳化阶段的金刚石/W(WC)/Cu纳米层状结构，结合高分辨透射电镜(HRTEM)和时域热反射法(TDTR)揭示了界面结构演化与界面热导率(ITC)的关联机制。

样品制备

本研究选用[100]取向的单晶金刚石基底，通过金刚石悬浮液逐级机械抛光使表面粗糙度低于2纳米。抛光后依次经丙酮、乙醇、去离子水超声清洗各15分钟，氮气吹干后置于磁控溅射系统。先后沉积100纳米钨层和80纳米铜层，沉积速率分别为0.5埃/秒和1.0埃/秒。最后在1273 K真空环境下进行15-120分钟退火处理。

金刚石表征

XRD图谱中仅观察到金刚石基底(400)衍射峰，证实为单晶结构。拉曼光谱在1332 cm^-1处显示sp³杂化碳特征峰，表明结构稳定无石墨化。AFM测试显示抛光后表面粗糙度Ra为1.86纳米，满足薄膜沉积要求。

界面结构演化对ITC的影响

退火过程中碳原子向界面扩散与钨反应形成碳化钨(WC)相，其分布从离散态逐渐演变为连续层状，厚度随退火时间增加。连续界面碳化钨层可建立稳定热传导路径，提升热载流子跨界面传输效率，使ITC在60分钟退火时达到峰值93.8 MW/(m²·K)。但过厚的WC层（2小时退火后）会显著增加界面热阻(ITR)，导致ITC降至52.4 MW/(m²·K)。

结论

本研究以不同碳化阶段的纳米层状结构为模型，直接测定ITC揭示钨中间层碳化过程中界面结构演化对ITC的调控机制：钨中间层通过改善界面键合状态提升界面兼容性，退火形成的连续WC层可优化热输运路径，但过度增厚的碳化物层会因声子散射加剧导致ITC下降。