微纳材料设计与制造研究中心

在新一代半导体器件小型化、高度集成化的背景下，电子器件的性能与功率密度不断提升。英飞凌的明星产品EconoDUAL™3 IGBT 模块^[1]在管壳温度80℃的情况下功率密度能够达到 2.6 MW/m²。然而，高功率也伴随着高发热与高风险，在短路工况下，芯片功率密度飙升至4.8 GW/m²，这是怎样的一个概念呢？太阳表面的功率密度仅仅是 0.05 GW/m²,比它小两个数量级。所以，这既是一个“冷知识”，也是一个“热知识”，高功率半导体器件的热管理手段会是一个长期、重要的技术挑战。

为了解决散热挑战，科学家们较劲脑汁想出了许多办法，主要分为被动散热、主动散热两大类。被动散热主要是通过提升半导体、散热衬底、热界面材料（TIM）的自身导热率并降低材料界面热阻实现散热，比如采用热导率在~10³W/mK级别的金刚石作为散热衬底^[2]（图1a）。而主动散热指液冷、气冷等对流换热手段实现散热，而这种散热手段往往具有尺寸效应：越小越好。van Erp等人在Nature上发表了一种将微流道和芯片协同设计的方法^[3]，将换热效果（COP）相比最先进的商用制冷产品提升了10倍。这种显著的提升主要有两个原因：1）协同设计让热沉更更靠近热源；2）微流道的比表面积比传统制冷管道要高几个数量级，所以换热系数也被显著提升。

顺着第二个原因的思路思考，如果进一步降低流道尺寸，采用纳流道，那么其比表面积更大，能否实现更好的换热效果？为了验证这个思路，微纳中心的高远老师、陈蓉老师与美国弗吉尼亚大学的Baoxing Xu老师展开合作，基于理论计算探究纳米尺度的对流换热机理，以及其主要影响因素，文章以“Degradation of Hydrogen Bonds Enormously Enhances Convective Heat Transfer in Nanofluidics”为题发表于Nano Letters，文章的第一作者为微纳中心硕士生陈梓乔，通讯作者为高远老师、陈蓉老师、Baoxing Xu老师。

研究者建立了纳米硅通道的分子动力学计算体系，冷却液体采取了常见的水，如图2a所示，并以非平衡动力学方法建立了稳定的流场与温度场（图2b，c）提取体系的热动力学特征进行分析。与微尺度乃至宏观尺度的对流体系不同，纳流道会产生滑移（Slip Length），这也是在某些疏水流道中液体流速能够超出Hagen−Poiseuille理论几个数量级的原因^[4]。同时，限域流道会改变水的平衡密度。换言之，在纳米尺度的水密度不一定是 1 g/cm³，研究者在硅通道体系中也发现了这个现象（图1d，e），这与他们先前发现的结论一致（Gao et al. Nano Letters 2024）^[5]。

计算表明纳流道的理论对流换热系数达到了约100MW/m²，这比协同微流道方法还要再高两个数量级。但更有意思的是，管道内水所承受的限域应力（类似于纳米尺度的压强），能够进一步调节对流换热，即努塞尔数Nu。百兆帕级别的限域应力能够将Nu调节60%（图3a）。更多计算表明，应力与对流换热之间的关联在于热滑移长度l_k的改变。但热滑移长度反应的是固液总体换热，仅仅是这个现象的表象。为了搞清背后的机理，研究者通过统计力学计算了水与硅通道的界面换热（图3c）以及水自身的传热性能（图3d），结果显示拉/压应力能够显著降低/提升两者。

为了进一步研究限域应力对对流换热的影响，研究者计算了硅、水在限域应力作用下的振动性质变化（图4a），以及硅-水固液界面的导热频谱（图4b）。结果表明，虽然百兆帕级别的应力不能显著改变固体晶格结构以及水的分子间结构，但调节了界面处的声子通过率，从而改变了传热。并且，固液相互作用特征频率的变化（图4c）也能够印证这一点。并且，在压应力作用下，水自身的输运性质得到提升，结构在固液界面处也更为有序。这些性质由水的中介反射函数（图4b）、二维静态结构因子（图4c）以及固液界面自由能分布来解释。以上水自身性质的改变则是由氢键性质的改变引起的。限域应力能够促进氢键网络的动态断裂，降低氢键的寿命，从而使水分子自由的在体系内穿梭并提高热量。

最后，研究者计算了体系尺寸对努塞尔数的影响（图5）。结果表明，努塞尔数正比于孔道高度H。考虑到Nu = 2hH/k，其中h为对流换热系数，k是水的热导率，以上正比关系反应了对流换热系数与k之比并没有随着尺寸显著变化，而应力对Nu的调节现象也并没受到尺寸的影响。结合以上机理，研究者提出了两个Nu的标度率。以上内容与发现为纳米尺度的传热、传质过程贡献了新的机理与观点。纳米传热、传质性质由于极端尺度下极强的固液作用千变万化，因此也颇具争议，而本工作发现的规律试图将材料体系、液体种类等复杂影响统一归结于力学效应，为纳米换热器件以及相关热管理技术的设计与开发提供了理论支持。

Less is more. —— 密斯·凡德罗

建筑的艺术不一定在于恢弘、雄伟，而精简、高效则是另一个极端——“小”带来的冲击与震撼。在纳米科学界有无数的“Less is more”，这些与宏观尺度截然不同现象同样孕育着新的可能性。

更多技术细节与机理请见原文：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00241

[1]https://www.infineon.com/cms/en/product/power/igbt/igbt-modules/econo/econodual-3/

[2]Matsumae, Takashi, et al. "Room temperature bonding of GaN and diamond substrates via atomic layer." Scripta Materialia 215 (2022): 114725..

[3]Van Erp, Remco, et al. "Co-designing electronics with microfluidics for more sustainable cooling." Nature 585.7824 (2020): 211-216.

[4]Wu, Keliu, et al. "Wettability effect on nanoconfined water flow." Proceedings of the National Academy of Sciences 114.13 (2017): 3358-3363.

[5]Gao, Yuan, et al. "Reorientation of Hydrogen Bonds Renders Unusual Enhancement in Thermal Transport of Water in Nanoconfined Environments." Nano Letters 24.17 (2024): 5379-5386.