本文为一篇原始研究报告，旨在介绍使用自组装单分子层（SAM）功能化铜/钻石复合材料界面，以提高其热导率的创新方法。文章由Bin Xu、Shih-Wei Hung、Shiqian Hu、Cheng Shao、Rulei Guo、Junho Choi、Takashi Kodama、Fu-Rong Chen、Junichiro Shiomi等学者共同完成，研究成果发表在《Applied Thermal Engineering》期刊上，发表于2021年。
随着高性能电子设备的发展及其伴随而来的热量密度增加，散热技术需求日益增加。热导率比铜等金属更高的材料显得尤为重要。在这些应用中，铜/钻石复合材料因其极高的热导率，成为了热管理领域的有力候选者。然而，根据有效介质理论（EMT），铜基体与钻石颗粒之间的热边界传导（TBC）对复合材料的热导率具有至关重要的影响，尤其是当钻石颗粒的尺寸处于微米级别时。尽管已有许多研究致力于提高铜/钻石界面的热边界传导，但由于许多方法在实际生产中难以控制，且效果有限，因此亟需一种新型、可控的方案来提高其热导率。
本研究采用了一种创新方法——在高温烧结之前使用自组装单分子层（SAM）功能化铜/钻石界面，以提高铜与钻石之间的热边界传导。此方法不仅突破了传统的界面处理技术，也为工业应用提供了可扩展的解决方案。
本研究的整体流程包含了多个关键步骤：从SAM的功能化过程，到基于分子动力学（MD）模拟的热边界传导增强机制研究，再到铜/钻石复合材料的制备与性能评估。以下为具体的研究流程和步骤。
研究首先通过浸泡钻石样品于过氧硫酸溶液中，去除其表面污染物，得到含羟基的钻石表面。然后，采用液相和气相两种方法，使用十八烷基三甲氧基硅烷（Octadecyltrimethoxysilane，OTMS）对钻石表面进行功能化。通过不同的反应时间和温度条件，研究了SAM的覆盖度、厚度以及分子链的排列方式对热边界传导的影响。
研究中，样品被分为6组，每组样品采用不同的SAM功能化方法。为了确保不同方法下的SAM形态具有可比性，研究者在相同的反应容器内同时对钻石基底和钻石颗粒进行功能化。通过XPS、接触角测量、椭偏仪等方法，表征了SAM的形态特征。
为了定量测量SAM功能化对热边界传导的影响，研究者采用了时域热反射技术（TDTR）。此方法通过泵浦和探测激光束分别激发和测量样品的温度衰减曲线，从而得出热边界传导值。通过与未处理样品的比较，研究者确认了SAM功能化对于热边界传导的显著增强作用。
为进一步探讨SAM功能化对热边界传导的作用机制，研究者采用分子动力学模拟。通过模拟不同覆盖度的SAM对热传导的影响，研究者发现，SAM能够有效桥接金属铜和钻石之间的振动谱不匹配，从而显著提高热边界传导。模拟结果表明，SAM的覆盖度越高，热边界传导的提升越显著。
在实验室模型系统中验证了SAM对热边界传导的增强作用后，研究者进一步在铜/钻石复合材料的制备中应用这一技术。使用50%的钻石体积分数和210 µm尺寸的钻石颗粒，研究者采用等离子体烧结法成功制备了铜/钻石复合材料，并测量了其热导率。结果表明，功能化的铜/钻石复合材料在室温下的热导率达到了711 W/m·K，为同类复合材料中的最高值。
通过TDTR测量，研究者发现SAM的覆盖度与热边界传导值之间呈非线性关系。随着SAM覆盖度的增加，热边界传导显著提高。这是由于SAM在铜和钻石之间形成了更多的“声子通道”，并通过这些通道促进了热量的传递。通过分子动力学模拟，研究者进一步证实了这一点，并发现SAM分子链的排列方式对热传导有重要影响。
通过等离子体烧结法制备的铜/钻石复合材料在经历SAM功能化后，表现出了显著的热导率提升。实验表明，该复合材料在室温下的热导率达到了711 W/m·K，远高于未功能化样品。相比其他研究中采用类似尺寸和体积分数的钻石颗粒制备的复合材料，本研究中的材料具有更高的热导率。
本研究首次将SAM功能化技术应用于铜/钻石复合材料的界面处理，成功实现了热边界传导的显著增强。通过精确控制SAM的覆盖度和分子链排列方式，研究者有效提升了复合材料的热导率。该研究为复合材料的热管理提供了新的思路，具有重要的学术价值和应用潜力。
在应用方面，该方法不仅能够提高铜/钻石复合材料的热导率，还能够为其他复合材料的热性能优化提供借鉴。此外，研究还为SAM技术的工业化应用提供了可扩展的解决方案，尤其是在高温烧结过程中的可控制性，使得这一技术能够更广泛地应用于电子设备、热管理材料等领域。
本研究不仅丰富了热边界传导的理论研究，也为高热导率复合材料的开发提供了新的技术途径，具有广泛的应用前景。