金刚石对顶砧内高压热传导实验的艺术展示。金刚石对顶砧顶端直径小于半毫米，用金属垫片（紫色固体）将金属膜（灰色）、红宝石球（红色）、液压介质（蓝色液体）密封于钻石之间。

来源：伊利诺伊大学贝克曼研究所可视化实验室Alex D. Jerez Roman

由于导热系数高于铜的五倍，金刚石被视为最理想的散热器。但热量从其他材料向金刚石转移的速度很慢，限制了其实际应用。尤其是许多年来，金属与金刚石间热流的物理过程控制一直困扰着科学家。

通过对金刚石对顶砧中金刚石上的金属膜施加极端压力，伊利诺伊大学香槟分校研究人员已经确定了由这种不明原因主导的热流的物理过程。这有助于了解和提高任意两种材料间的热流。

“过热是大功率射频（RF）设备性能最主要的限制因素，”伊利诺伊大学材料科学与工程系主任David Cahill教授如是说，“卫星、手机等无线设备在微观区域内产生过多的热量，从而导致射频设备的封装密度和性能不再遵循摩尔定律（Moore’s Law）。考虑到微观尺度上的过热现象，无法利用金刚石代替硅；我们需要从微观上认识热量如何流入金刚石等材料。

Cahill解释说，虽然在大功率射频设备的开发正更多的采用金刚石和碳化硅等材料，但该项工作更多的关注于热物理基础方面的研究。“极端条件下的研究是很有价值的，例如对金刚石上的金属施加高压，因为这可以检验我们关于该复杂问题的猜想。我们设计的实验让我们可以测试和证明一系列的假设，最终使得更好的理解两种不同材料之间的热流。”

“最简单的声子穿越界面的方式是双声子弹性过程：一个声子过来，一个声子以相同的频率发出。”发表于《自然·通讯》（Nature Communication）上论文的第一作者Greg Hohensee解释说，“但金刚石上的金属是一个特例。因为金刚石过于坚硬，使得这种情况就像是撞击一个绑在绳上的容器，又想要绳子舞动一样。因为绳子不够坚硬，无法进行如此高频振动，使得振动留在容器内。同样地，你也无法通过摇晃绳子让容器唱歌。但是，金刚石上的金属可以做得到。”

对于给定不同温度的两种材料，界面的热传导决定了热流的速率。通常，在如金刚石的晶体材料中，以简谐振动形式存在的热载流子称之为声子。热物理以及界面热传导的主要挑战是宽频率范围内存在的声子，以及在不同频率下声子与界面和其他声子间的相互作用。

“金刚石上，更硬的金属看似有更高的热导，所以我们最初设想热导率取决于金属的刚度。”Hohensee补充道，“我们设计了以可控方式改变刚度的实验。我们将不同的金属膜沉积在金刚石对顶砧中的金刚石上，并用垫片密封，在高达500,000个大气压的压力下测试热导率。在实验室外，需要进到1000公里的深度，到达地幔才能获得类似的高压。”

“令人惊讶的是，最初使用金-钯合金（Au(Pd)）和铅（Pb）获得的数据并未显示出这样的趋势。”合作作者Rich Wilson说，“事实上，高压下热导率似乎达到了饱和，好像被金属和金刚石间的热阻所限制。证明自己错误往往令人失望，但是每一个假设的证明都会令你更接近正确的解释。很多时候，回顾并收集更多数据能够启发更好的设想。”

“为了获得更多的对比数据，我们用铂（Pt）代替Au(Pt)合金，用铝（Al）取代Pb。”Hohensee说道，“结果显示，Pt和Au(Pt)的数据相似，但是除Al以外的金属在高压下的额外热导几乎相同。”

“我们意识到，可以用我们称之为部分传输过程来解释这些数据，在界面处金属声子'注入'更高频率的金刚石声子。我们最初猜想金属声子可以结合成更高频率的金刚石声子，但这个过程对金属刚度敏感，或者说是压力敏感。部分传输机制中，任何金刚石声子可以吃掉一个金属声子，频率远高于金属声子的金刚石声子可以存在于金属中，因此金属的刚度显得不那么重要了。”

“在这个实验之前，基于热导与温度的函数关系，近二十年来研究人员已经提出和建立了金属-金刚石的热导理论模型。”Cahill说，“为了检验这些设想，我们使用一个新的独立变量——压力设计了一个新的实验。我们的新信息最终证明了一些理论，并为不同材料之间的热流绘制了新图像。现在我们知道部分传输过程的重要性，研究人员能够在更多细节上建立微观模型和模拟进行探讨；工程师可以设计各种装置，提高或利用各种材料这方面的热传导。”

新材料在线编译整理—— 翻译：菠菜