近日，188bet足球特任教(jiao)授(shou)馬(ma)浩團隊與(yu)南京航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天大學李(li)秀強教(jiao)授(shou)、蘇州大學劉珂君(jun)教(jiao)授(shou)以及南京大學呂光鑫教(jiao)授(shou)等團隊合作，在提升二維共價有機框架材料（2DPA）熱(re)導(dao)率特(te)性(xing)的研究中取得(de)了(le)重(zhong)要突破，采用邊緣取向策(ce)略成功豎直生(sheng)長2DPA，解(jie)決了傳統二維材料沿厚(hou)度方(fang)向傳熱性能不佳(jia)的問題。相關研究(jiu)成果以(yi)“High Through-Thickness Thermal Conductivity in an Edge-On Two-Dimensional Polyamide Thin Film”為題發表于國際知名期刊《Nano Letters》。
隨著電子設備向高性能化(hua)、小型化(hua)以及柔(rou)性化(hua)方向的(de)不斷演進，高效的(de)熱管理已成為(wei)保障設備可靠性與延長使用(yong)壽命的(de)關鍵所在(zai)。傳統聚合(he)物材(cai)料由于其較低的(de)熱導率(lv)（約0.2 W/(mK)），難以滿足現(xian)代電子器件日(ri)益增長的(de)散熱需求。相比之下，二維共價有機(ji)框架（COFs）材(cai)料(liao)憑借其獨特的晶體結構和可調控(kong)的熱傳輸性能(neng)，被廣泛認(ren)為(wei)是解(jie)決這一(yi)問題的潛(qian)在途徑。鑒于厚度(du)方向(xiang)上(shang)的熱傳導性能(neng)在散熱過程中具有至關重要的作用，如(ru)何通過材(cai)料(liao)設計進一(yi)步(bu)提升(sheng)材(cai)料(liao)在厚度(du)方向(xiang)上(shang)的熱導率(lv)，已成(cheng)為(wei)學術界與工(gong)業界共(gong)同關注的研(yan)究熱點(dian)。
圖一. v2DPA的(de)結構特征(zheng)和形態。(a)從(cong)xy平(ping)面和(he)xz平面觀(guan)察v2DPA晶體(ti)結構，為雙孔大(da)小(xiao)的矩(ju)形晶格，層間(jian)距(ju)離(li)為4.8 ?。紅色箭頭表示(shi)[121]垂(chui)直方向即相對于Si襯底的穿過(guo)厚度方向，沿著v2DPA的骨架延伸。(b)沉(chen)積在SiO2/Si襯底上的v2DPA的光(guang)學顯微照片(pian)。(c)描繪薄膜邊緣(yuan)的(de)SEM圖像。(d) AC-HRTEM圖像(xiang)顯示了(le)一個清晰的層流排(pai)列，插圖描(miao)繪了(le)選擇區(qu)域電子衍射模式，證實了(le)[121]的方(fang)向性和(he)觀(guan)察到的aa堆積(ji)。
研究團隊以二維聚酰胺薄膜（2DPA）為(wei)例（如(ru)圖一所示），借助(zhu)分(fen)子動(dong)力(li)學模擬方法，計算了2DPA沿(yan)共(gong)價骨架(jia)傳熱(re)路徑(jing)、面內(nei)孔道路徑(jing)以及傳統弱(ruo)范德華堆疊方向的熱(re)導率。沿(yan)骨架(jia)方向（也即v2DPA）計算熱導率高(gao)達1.11±0.07 W/(mK)，沿孔方向為0.88±0.05 W/(mK)， 層間堆疊(die)方向為0.28±0.02 W/(mK)。同時，通過光(guang)譜(pu)能量密度（SED）分析其(qi)微觀聲子譜(pu)（如圖二d-f所示(shi)），深入(ru)探討了微觀聲子(zi)輸運機制：沿共價骨架方向的聲學支更(geng)為清(qing)晰，表(biao)明該(gai)方向上的聲子(zi)散射較弱，聲子(zi)壽命相對(dui)較高。相比之下，傳統弱相互作用堆疊方向（如圖(tu)二c所示）由(you)于存(cun)在較強(qiang)的(de)(de)聲子(zi)散(san)射機制，直接導(dao)致(zhi)了熱導(dao)率的(de)(de)顯著(zhu)降低。此外，沿共價骨(gu)架方向(xiang)(xiang)的(de)(de)傳熱路(lu)徑相較于沿孔方向(xiang)(xiang)更加筆直（如圖(tu)二(er)a和b所示），這進一(yi)步(bu)解釋了熱(re)傳導性能的(de)差異(yi)。
圖二. 不(bu)用(yong)方向熱導率差(cha)異的微觀聲(sheng)子解釋。(a-c)分別(bie)為沿骨架(jia)、沿孔和沿堆(dui)疊方向 (d-f)分別為其對應聲子譜
在實(shi)驗(yan)部分，團(tuan)隊采用表面(mian)活性(xing)劑(ji)單層輔助界面(mian)合成(cheng)技術（SMAIS），成功制備(bei)了共價骨架延伸方向垂直于基底的垂直型二(er)維聚(ju)酰胺薄膜(mo)（v2DPA），并利用時域(yu)熱反射（TDTR）系(xi)統對(dui)其熱導率進行了精確測(ce)量(liang)。實驗(yan)測(ce)得v2DPA熱(re)導率為1.16 ± 0.05 W/(mK)，實驗測(ce)量熱(re)容(rong)以及熱(re)導率結(jie)果與計算十(shi)分(fen)吻合，驗證計算結(jie)果準確性(xing)的(de)同(tong)時，也有力的(de)證明(ming)SMAIS技術可(ke)以進行高質量(liang)的材(cai)料設計，并(bing)且能保證設計的材(cai)料結構(gou)擁有理(li)論(lun)本征(zheng)特性。應用SMAIS策(ce)略獲(huo)得的v2DPA的(de)熱導率不(bu)僅高于常見的(de)商用有機(ji)高分子材料與(yu)其他二(er)維COFs材料（圖(tu)三），還(huan)保持了相當低的密度，展示了其(qi)在(zai)柔性(xing)設備領域的應用潛力，有望作(zuo)為新一代的柔性(xing)設備高效散(san)熱(re)基底(di)材料。
圖三. v2DPA的熱導率與常(chang)見商用高分子材(cai)料和同(tong)類型COF材(cai)料對比
綜上(shang)，這(zhe)項研究不僅為二維聚合物材(cai)料的熱(re)管理(li)性(xing)能優化開辟了新途(tu)徑，還為電(dian)子封裝、5G通信以及(ji)新能源等領域(yu)的高效散熱(re)問題提供了潛在解(jie)決方案。v2DPA的(de)成功制備驗證了邊緣取向策略在(zai)提升厚度方向熱導率方面(mian)的(de)有(you)效性。未來，通過分子工(gong)程手段進一步優化(hua)其性能，有(you)望推動該材料在(zai)更廣泛(fan)領域的(de)實際(ji)應用(yong)。
188bet足球工程科學(xue)(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)馬浩教授、南京航空航天大(da)學(xue)(xue)(xue)(xue)教授李秀強(qiang)、蘇州大(da)學(xue)(xue)(xue)(xue)教授劉珂君(jun)為該論(lun)文通訊作者。李秀強(qiang)教授、呂光鑫教授、188bet足球熱科學(xue)(xue)(xue)(xue)和能源工程系碩(shuo)士研(yan)究(jiu)生胡應龍為共同第(di)一作者。研(yan)究(jiu)得到了188bet足球啟動經費的(de)支(zhi)持，并(bing)依(yi)托學(xue)(xue)(xue)(xue)校超級計算(suan)中心的(de)高性能計算(suan)資(zi)源完成。
原文鏈接：//doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c01036
