近日，中國科學院福建物質結構研究所林悅/寧波材料所林正得聯合團隊在導熱界面材料（TIMs）研究方面取得新進展。研究面向高功率、高集成電子器件散熱“卡脖子”的界面瓶頸，提出“表面能匹配（surface-energy matching）”作為關鍵設計法則，通過分子尺度的界面調控，實現高填充TIM在“可壓薄性”和“界面貼合性”上的協同優化，從而顯著降低有效熱阻。
2026年1月30日，相關研究成果以《Surface-Energy-Matched Interfaces as Key Design Rule for Ultra-Low-Resistance Thermal Interface Materials》已于近期發表在國際著名學術期刊《Adv. Funct. Mater.》上。該論文的第一作者是2023級碩士生王志杰；2023級博士生黃家勁全程負責該項目，為論文的共同通訊作者。
在芯片、功率器件和數據中心等系統中，即使兩塊表面看起來貼合，微觀尺度仍存在大量空隙與接觸不連續區域，導致熱量在界面處形成明顯溫降。TIM的目標是填充這些空隙并建立連續熱通道，但在工程上常常面臨一個“蹺蹺板”：為提升導熱路徑需要高填充，然而高填充會使材料更硬、更難壓薄，接觸熱阻反而上升，抵消收益。
圖1. TIM 結構、電阻分解與 自組裝單分子層（SAM）修飾策略。(a)球柵陣列（BGA）封裝示意圖：芯片與散熱片、散熱器之間部署兩層 TIM，用于填充空隙、高效導熱帶走熱量。(b) 為熱阻分解示意圖：有效熱阻（REFF）由體熱阻（RB=BLT/κTIM）和兩個界面的接觸熱阻（RC1、RC2）組成，高填料加載降低RB 但易升高RC。(c) 為 SAM 修飾 Al2O3的兩步制備流程：先通過食人魚溶液羥基化處理 Al2O3，再在甲苯中與硅烷自組裝形成SAMs修飾填料（S-Al2O3）。(d) 為鏈長調控 SAMs 的作用示意圖：通過改變烷基鏈長（n=1,2,…,18）調節填料表面能與聚合物相容性，優化分散性、縮減粘結層厚度、降低REFF。
圖2. SAM 鏈長調控表面能與分散性。(a) 為接觸角與表面能變化曲線：未修飾 Al2O3（C0）表面能最高，C4 鏈長時表面能降至最低（18.17 mJ m-2），與硅酮基體表面能匹配最佳。(b) 為表面能的分散組分（
）與極性組分（
）分解：短鏈（C<4）無法充分屏蔽極性位點，長鏈（C≥12）因倫敦分散力和空間位阻使表面能回升。(c) 為基體與修飾 Al2O3的表面能失配率：C4 鏈長時總失配率、分散組分與極性組分失配率均最低，表面能匹配最優。(d) 為相對粘附功（ΔWa）曲線：C4 鏈長時 ΔWa僅 0.25 mJ m-2，熱力學團聚驅動力最弱，分散穩定性最佳。
圖3. SAM-Al2O3 TIMs 的熱性能與流變性能。(a) 為熱導率（κTIM）與鏈長關系：所有鏈長修飾的復合材料熱導率相近，因 78 vol% 填料遠超滲流閾值，本體導熱主要受填料-填料、填料-基體界面熱阻限制。(b) 為有效熱阻（REFF）與鏈長關系：C4 鏈長時 REFF 最低（0.142 K·cm2 W-1），未修飾 C0 的REFF高達 2.212 K·cm2 W-1。(c) 為體熱阻（RB）與粘結層厚度（BLT）變化：C4 鏈長時 BLT 僅 20 μm，RB 顯著低于其他鏈長修飾樣品。(d) 為屈服應力（τy）與鏈長關系：C4 鏈長時屈服應力最低（1.2 Pa），C0 的屈服應力高達 400 Pa，與 BLT 變化趨勢一致。(e) 為不同剪切速率下的粘度曲線：C4 修飾樣品在低剪切速率下保持形狀穩定性，高剪切速率下粘度最低，加工流動性最優。(f) 為載荷下粘結層變薄示意圖：C4 修飾樣品易發生塑性變形，填充表面微間隙，實現超薄粘結層與良好界面接觸。
圖4. SAM 功能化界面的納米力學響應。(a) 為 AFM PeakForce 測試示意圖：在 SAM 修飾Al2O3基底上旋涂Sylgard 184 PDMS并固化，模擬填料與基體的界面作用。(b) 為典型力-距離曲線：標注了粘附力（FA）和能量耗散區域，反映界面粘結強度與能量吸收能力。(c) 為不同鏈長 SAM 的界面模量：C4 鏈長時模量最低，界面柔韌性最佳。(d) 為最大剝離力（粘附力）與鏈長關系：C4 鏈長時粘附力最高，界面結合最牢固。(e) 為能量耗散與鏈長關系：C4 鏈長時能量耗散最大，應力松弛能力最優。(f) 為 JKR 擬合的表觀楊氏模量：C4 鏈長時模量顯著低于其他鏈長，與 “分子彈簧” 特性一致。(g) 為性能關聯圖譜：C4 鏈長同時實現低 ΔWa、高能量耗散與最優熱性能，三者高度協同。
圖5. 不同鏈長 SAM 的界面響應示意圖。示意圖對比了短鏈（C1-C3）、中鏈（C4）、長鏈（C5-C18）SAM 修飾填料與硅酮基體的界面行為：短鏈SAM形成剛性間隔層，PDMS 難以滲透，接觸面積有限，RC較高；中鏈C4 SAM形成柔性 “分子彈簧”，受壓時大幅變形，貼合納米級凹凸結構，最大化真實接觸面積，RC最低；長鏈SAM因范德華力密集堆積，阻礙PDMS鏈纏結，界面易滑移，RC升高。
主要發現
本次工作系統構建了從C1到C18的自組裝單分子層（SAMs）“鏈長庫”，將其接枝到氧化鋁（Al2O3）填料表面，在相同裝配壓力下對比了表面能、分散性、流變行為、鍵合層厚度（BLT）與有效熱阻REFF 的耦合關系，得到三點關鍵結論：1. 存在清晰的最優鏈長窗口，C4 實現最佳“表面能匹配”：表面能分析顯示，C4 條件下填料與硅基體系達到更優匹配，可顯著抑制再團聚，提升體系宏觀均勻性。2. “壓薄”是降低熱阻的關鍵幾何杠桿：在相同壓力下，C4 使材料更易發生剪切變稀與塑性形變，鍵合層厚度 BLT 可由未改性樣品的約 608 μm 降至約 20 μm，從而顯著降低體相貢獻熱阻。3. 界面“更軟、更黏”，接觸熱阻同步下降：原子力顯微鏡測量表明，C4 形成一種“分子彈簧”式界面特征，兼具較低界面模量與更強黏附，有助于提升真實接觸面積并抑制接觸熱阻。綜合作用下，C4體系由于最佳表面能匹配實現超低有效熱阻REFF=0.142K·cm2 W-1，并形成可推廣的“分子到宏觀”設計規則。該成果是團隊2024年發表工作的延續（Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2402276）。2024年研究已證明：利用SAMs進行界面工程，可在高填充TIM中同時降低體相熱阻與接觸熱阻。2026年工作進一步回答“為什么會出現最優點、如何穩定復現”，通過系統鏈長篩選將經驗優化提升為可復用的設計準則。
意義與應用前景
“表面能匹配”提供了一條面向工程落地的優化路徑：不只追求更高導熱系數，更強調讓材料在封裝壓力下“壓得更薄、貼得更緊”。該策略有望為高功率密度芯片、功率電子封裝、服務器與數據中心熱管理等應用中的TIM選型與配方設計提供可操作的指導。
林悅研究團隊專注熱輸運物理學、極限熱功能材料、及先進熱管理器件，近3年取得了系列進展：
Newton, 2025, 1, 100008;
Nature Communications, 2025, 16,11071;
Adv. Mater. 2025, 37, 2417594;
Mater. Horiz., 2025, 12, 6765–6773；
Adv. Funct. Mater. 2024, 2419776；
Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2402276；
ACS Materials Lett. 2024, 6, 4351?4359；
原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202531931
- 江蘇海洋大學李成杰團隊 ACS AMI：可重加工自修復的橡膠基導熱界面材料用于熱管理 2025-07-20
