随着5G通信、新能源汽车、大功率LED及航空航天电子系统的快速发展，芯片热通量持续攀升，传统铜基均热材料已逼近散热极限。金刚石/Cu复合材料因金刚石本征热导率高达~2000 W·m^-1·K^-1，被视为下一代高功率热管理核心材料，但其应用长期受两大瓶颈制约：一是界面润性差，金刚石与铜化学亲和性弱，界面结合薄弱；二是声阻抗失配严重，导致界面热边界电阻极高，大量热量无法高效从金刚石传递至铜基体，严重拉低复合材料整体导热性能。传统解决方案通常引入钛、铬、钼等碳化物形成元素构建过渡层，但普遍存在“厚层高阻、薄层不连续”的权衡困境：厚碳化物层虽能增强结合，却因自身热导率低引入额外热阻；薄层则易破裂、覆盖不全，无法保障界面稳定性。因此，如何在不过度增厚过渡层的前提下，同时实现连续界面结合与低热阻，是金刚石/Cu复合材料走向实用的关键难题。

2026年6月，杭州电子科技大学郑辉、王鑫团队在国际期刊上发表了一项题为“Crystallography-guided etching regulates Mo₂C interlayer growth for high-thermal-conductivity diamond/Cu composites”的研究成果。团队创新性地将晶体学表面织构化与薄Mo₂C过渡层设计相结合，通过对金刚石表面进行选择性刻蚀，诱导形成晶面依赖的微腔结构，大幅提升比表面积与异质形核位点，最终在金刚石表面构建出仅约123 nm厚、连续均匀的Mo₂C过渡层。经真空热压制备的含50 vol%金刚石复合材料，热导率达706 W·m^-1·K^-1，较同填充量未刻蚀样品提升约6.3%；器件级热成像测试显示，该材料可使芯片结温峰值较无均热板工况降低21.4℃，成功突破了金刚石/Cu复合材料界面热阻与界面结合难以兼顾的技术瓶颈。

01核心内容

该研究创新提出晶体取向刻蚀 + 薄层 Mo₂C 过渡层一体化界面工程策略，依托金刚石不同晶面各向异性刻蚀特性构建三维微凹腔结构，结合熔盐辅助渗碳工艺制备超薄连续 Mo₂C 过渡层，打造机械互锁 + 化学键合 + 梯度声学阻抗三重协同的金刚石 / Mo₂C / 铜复合界面，从微观形貌、物相结构、传热机理多维度突破传统界面缺陷。

02研究成果

1、金刚石刻蚀后的微观结构与表面性能

（1）晶向选择性微观形貌：金刚石经氧化刻蚀后呈现典型的各向异性形貌，{111} 晶面分布3~5μm宽、约1.3μm深的三角形蚀坑，轮廓算术平均粗糙度 Ra 由 27.01 nm提升至83.6 nm；{100} 晶面分布1~3μm宽、最大0.5μm深的矩形蚀坑，Ra 达到31.48 nm。

（2）表面理化特性优化：刻蚀后金刚石 BET 比表面积从0.0148 m2・g-1提升74倍，有效界面面积显著增大；XPS 与拉曼光谱测试证实，刻蚀去除了表面含氧杂质与sp2杂化石墨相，金刚石本征晶格结构完整，表面品质大幅提升。

2、Mo2C 过渡层微观结构与物相特征

（1）过渡层厚度与连续性：未刻蚀金刚石表面 Mo2C 层厚度约339 nm且局部不连续；刻蚀改性金刚石表面Mo2C层厚度降至123 nm，整体包覆完整、结构致密，无孔洞与裂纹。

（2）物相与界面结合：XRD、HRTEM 证实过渡层为六方相β-Mo2C，金刚石、Mo2C、铜三相界面清洁无氧化物、孔洞，晶格结合紧密；XPS 检测到 Mo-C 特征化学键，证明形成稳定的冶金结合。

3、复合材料导热与致密度性能

（1）室温导热性能：金刚石体积分数为50 vol%时，刻蚀改性复合材料导热系数达到峰值706 W·m-1·K-1，同配比下未刻蚀样品仅为664 W·m-1·K-1；金刚石体积分数30%~60% 区间内，改性样品导热性能始终优于对照组。

（2）致密度优势：相同金刚石含量下，刻蚀改性复合材料致密度更高，微凹腔结构促进铜基体充分填充，有效减少内部残余孔隙，进一步保障导热通路完整性。

（3）温度与热循环稳定性：在25~100℃温度区间内，复合材料导热系数随温度升高略有下降，但改性样品全程保持更高导热水平；25~100℃热循环测试中，复合材料导热系数几乎无波动，界面未出现开裂、脱层，热力学稳定性优异。

4、器件实际散热应用效果

以驱动器控制芯片为测试载体，开展300 s连续工况散热测试：裸芯片最终温度为63.9℃，搭载未刻蚀复合材料散热片后芯片温度降至47.2℃，搭载本研究改性复合材料散热片后芯片温度低至42.5℃，芯片最高结温最大降幅达21.4℃。红外热成像结果表明，改性材料可有效消除芯片局部热点，实现温度均匀分布，实际散热效果突出。

5、机理验证与理论分析

结合声学失配模型、哈塞尔曼 - 约翰逊模型、有限元仿真分析：梯度声学阻抗结构使界面声子透射率提升至96.5%；刻蚀形成的锯齿状界面让有效传热面积提升3~4 倍；理论计算复合材料导热系数为802~808 W·m-1·K-1，与实测值偏差源于材料内部微量微观缺陷，充分印证界面改性策略的科学性。

图1 金刚石/铜复合材料的整体制造流程，包括晶体学选择性蚀刻、用于形成Mo2C夹层的熔盐金属化和真空热压

图2 （a） （111）取向的金刚石颗粒；（b）具有（100）取向的原始金刚石颗粒；（c）显示三角形蚀坑的蚀刻（111）刻面；（d）蚀刻（100）面，显示矩形/方形蚀刻坑；（e）蚀刻（111）面的2D AFM图像；（f）蚀刻（100）面的2D AFM图像；（g）未蚀刻金刚石表面的2D AFM图像；（h）蚀刻金刚石颗粒的N2吸附等温线；（i）蚀刻前拟合金刚石颗粒的C1s光谱；（j）蚀刻后拟合C1s光谱；（k）蚀刻前后（111）和（100）金刚石表面的拉曼光谱；（l）未蚀刻和蚀刻金刚石样品的拉曼强度比（IDiamond/I2D）的比较

图3 （a）未蚀刻金刚石颗粒的SEM图像；（b）横截面SEM图像，显示了在未蚀刻表面上形成的Mo₂C层（~339nm）；（c）蚀刻金刚石颗粒的SEM图像，显示了依赖于晶体学的蚀坑；（d）横截面SEM图像，显示在蚀刻表面上形成的Mo₂C层（~123nm）；（e）金属化金刚石颗粒的SEM图像和相应的C和Mo的EDS元素图。（f）钼涂层金刚石颗粒的XPS测量光谱；（g）高分辨率C1s光谱；（h）高分辨率钼3d光谱；（i）高分辨率O1s光谱；（j）蚀刻前后Mo涂层金刚石颗粒的XRD图，以Mo₂C相为指标

图4 （a）未蚀刻的Mo₂C涂层金刚石/Cu复合材料的横截面SEM图像；（b）蚀刻复合材料的断裂表面SEM图像；（c）蚀刻复合材料的断口SEM图像，显示界面完整性得到改善；（d）放大的界面区域，突出了Cu粘附和凹坑辅助联锁；（e）对应于（d）中区域的EDS元素图（C、Cu和Mo）；（f）横截面TEM图像和（g）相应的EDS元素图（Mo、C和Cu），显示金刚石和Cu之间连续的富Mo界面层；（h）从层间区域提取的FFT模式，沿[010]区轴索引为六边形β-Mo₂C；（i）具有晶格条纹分配的Cu/β-Mo₂C界面HRTEM图像；（j）金刚石/β-Mo₂C界面处的HRTEM图像，带有晶格条纹分配

图5 （a）金刚石含量为30-60vol%时未蚀刻和蚀刻复合材料的热导率；（b）未蚀刻和蚀刻复合材料的密度随金刚石体积分数的变化；（c）从25℃开始测量不同金刚石含量的未蚀刻和蚀刻复合材料的温度依赖性导热系数℃至200℃、 （d）蚀刻的金刚石/Mo₂C/Cu复合材料和在25℃之间没有中间层的金刚石/Cu复合材料的热循环稳定性℃和100℃、 （e）Mo₂C介导的金刚石/铜复合材料的文献基准，重点介绍了目前的工作（参考文献[13-15,17,31-34]）

图6 （a） 未蚀刻模型中的平面Cu/Mo2C/金刚石界面显示了一维热流，Aeff≈Aproj；（b）蚀刻模型中的锯齿状界面能够实现Aeff≫Aproj的多向热流；（c）平面界面模型的温度分布和热流矢量；（d）锯齿状界面模型的温度分布和热流矢量；（e）平面界面模型的等温轮廓；（f）锯齿界面模型的等温轮廓

图7 （a） 驱动控制器芯片和热成像测试配置的照片，复合板放置在顶部；（b）裸芯片（无散热器）、未蚀刻复合材料和蚀刻复合材料在连续300秒写入操作期间的芯片温度-时间曲线；（c）三种情况下选定时间（0-300s）的红外热图像；（d）三种情况的相应3D温度图。

03总结与展望

该工作成功解决了金刚石/铜复合材料中界面结合强度与界面热阻之间的矛盾，更重要的是一并提出了“晶体学蚀刻+薄层碳化物”协同的界面设计新范式。通过晶面选择性蚀刻增加界面面积和机械锚定位点，同时利用织构化表面引导更薄且连续的Mo2C中间层形成，实现了声阻抗梯度过渡与几何面积放大的双重增益。这一策略不仅适用于金刚石/Cu热管理体系，也为其他面临界面失配问题的金属基复合材料（如金刚石/Al、金刚石/Ag等）提供了可借鉴的界面优化思路。未来，结合多尺寸金刚石颗粒级配、界面涂层进一步优化及规模化热压工艺开发，有望在保持高热导率的同时进一步提升复合材料力学可靠性和工程适用性，为下一代高功率电子封装与热管理应用提供有力支撑。

信息来源：

https://doi.org/10.1016/j.diamond.2026.113778