隨著電子器件越來越小、功率越來越高，散熱成為制約性能的“頭號(hào)難題”。傳統(tǒng)材料（如銅、硅）熱導(dǎo)率有限，而金剛石的熱導(dǎo)率是銅的 5倍以上，堪稱“散熱王者”！但大尺寸高導(dǎo)熱金剛石制備成本高、工藝復(fù)雜，如何實(shí)現(xiàn)高效又經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)？

多晶金剛石散熱片的制備工藝

哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用 MPCVD技術(shù)，在真空環(huán)境中通過微波激發(fā)氣體（氫氣、甲烷、氮?dú)猓屘荚釉诠枰r底上“生長”成金剛石。

關(guān)鍵突破：

甲烷濃度：降低甲烷比例（從8%降至5%），減少雜質(zhì)碳沉積，提升晶體質(zhì)量。

生長溫度：提高溫度（930~950℃），促進(jìn)晶粒橫向擴(kuò)展，讓結(jié)構(gòu)更致密。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：高熱導(dǎo)率+低翹曲團(tuán)隊(duì)制備了5組樣品（S1-S5），發(fā)現(xiàn)：

最優(yōu)性能：樣品S3（甲烷5%，溫度930℃）熱導(dǎo)率高達(dá) 1208 W/(m·K)，翹曲值僅37微米，遠(yuǎn)超國際同類產(chǎn)品（如Element Six的1000-2200 W/(m·K)）。

速度與質(zhì)量的平衡：雖然降低甲烷會(huì)減緩生長速率（5.8 μm/h），但熱導(dǎo)率顯著提升，且翹曲更小，后期加工更容易。

通過X射線衍射和拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)：

<111>晶面主導(dǎo)：晶體排列更規(guī)整，減少晶界缺陷。

低甲烷+高溫：抑制非晶碳生成，晶粒尺寸更大，熱傳導(dǎo)路徑更暢通。

與國外領(lǐng)先企業(yè)Element Six和Sumitomo Electric Industries相比，本研究通過優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了熱導(dǎo)率超過1200 W/(m·K)的多晶金剛石散熱片的制備，同時(shí)保證了較高的生長速率（5.8微米/小時(shí)）和較低的翹曲值（37微米）。通過后續(xù)工藝改進(jìn)，有望實(shí)現(xiàn)更高速率下高導(dǎo)熱金剛石散熱片的制備，從而有效降低其生產(chǎn)成本。

未來應(yīng)用前景

多晶金剛石散熱片在以下領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景：

高性能計(jì)算：用于CPU、GPU等高功率芯片的散熱。

5G/6G通信：用于射頻器件和功率放大器的散熱。

新能源汽車電子：用于微波逆變器和功率模塊的散熱。

航空航天：用于高可靠性電子設(shè)備的散熱。

通過不斷優(yōu)化制備工藝，多晶金剛石散熱片有望成為未來高效散熱解決方案的重要組成部分，為電子器件的性能提升提供強(qiáng)有力的支持。

碳基半導(dǎo)體（包括金剛石、碳化硅、石墨烯和碳納米管等）因其超寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高載流子遷移率以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性等卓越的特性，正在成為解決傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體材料逐漸逼近物理極限問題的關(guān)鍵途徑。在人工智能、5G/6G通信、新能源汽車等迅猛發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。尤其是在當(dāng)前不確定的國際局勢(shì)和貿(mào)易環(huán)境背景下，碳基半導(dǎo)體戰(zhàn)略意義凸顯，成為多國布局的重要賽道。