来源 | Advanced Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adma.202504706

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背景介绍

器件集成度的激增导致热损耗不断加剧，这既影响性能又危及安全，因而迫切需要具备非凡热通量管理能力的先进热管理方案，以应对高热通量电子设备的功率与散热挑战。微纳结构因其卓越性能、微型化尺寸与设计灵活性，已成为电子设备定向散热领域备受关注的解决方案。然而，目前仍缺乏对微纳结构传热控制技术最新进展及其在高热通量热管理（尤其是电子设备领域）当前与潜在应用的系统性评述。

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成果掠影

近日，澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）的贾宝华院士、韩林联合山东大学郭春生团队综述了微/纳米结构在传导、对流、相变、辐射四大传热机制中的作用原理，介绍了仿生/工程化设计的典型结构，对比了传统与 AI 辅助的设计方法及 3D 打印、DRIE 等制造技术，分析了其在热界面材料（TIMs）和散热器中的实际应用。通过多尺度视角，系统梳理了微纳结构赋能的基础传热机制，重点介绍了多种仿生或人工设计作为高效热学与流体力学超材料的巨大潜力，并详细阐释了在实际电子热管理应用中对耦合传热过程调控具有重要贡献的新型微纳图案。通过对比研究总结了现有微纳结构设计与制备方法的优势与局限性。基于既往应用经验，深入探讨了微纳结构热管理技术面临的关键挑战与发展前景。揭示了微纳结构在助力实现高性能电子设备可靠、可持续、精准化热管理方面所具有的革命性潜力。研究成果“Beyond Conventional Cooling: Advanced Micro/Nanostructures for Managing Extreme Heat Flux ”为题发表在《Advanced Materials》。

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图文导读

图1.用于电子设备热管理的微/纳米结构的临界截面示意图，包括基本传热原理（传导、对流和辐射）与多个电子能级有关（芯片、电路板和系统），用于相应冷却策略的典型微米/纳米结构，以及用于制造先前的基于微/纳米结构的冷却系统的设计和制造方法。ETC、NTR、DIP、DRIE和FSLNP表示有效热导率，非互易热辐射、动态界面印刷、深反应离子蚀刻和飞秒激光纳米印刷。

图2.不同空间尺度和传热模式下的电子冷却示意图，包括a）芯片，b）电路板，以及c）系统级。

图3. a）各种材料的尺寸相关纳米尺度热传导的数值和实验结果。[34，37，38，40，47，48] b）三种典型声子传播模式的示意图。c）纳米结构材料内声子传输的示意图，说明了不同的散射和边界效应。

图4.典型电子系统的传统热管理（左）和通过微米/纳米结构的目标热管理（右）之间的比较。

图5. a）两个具有特殊设计的微结构的热阱样品的照片及其经过验证的温度分布数值模拟。经许可转载。[160]版权所有2022，Elsevier。b）具有模拟和测量温度分布的热元器件实验系统。经许可转载。[183]版权所有2021，Elsevier. c）变色龙状热元壳、正常壳和具有不同热导率的参考壳的微元模拟。经许可转载。[159]版权所有2019，美国物理学会。d）夹层结构蜂窝圆柱体的热传导测试：加热阶段的逐步温度分布。经许可复制。[152]版权所有2022，牛津大学出版社。

图6.a）各种热声子器件的原理图，包括热二极管、热晶体管、热逻辑门和热存储器。紫色箭头所示的热通量分布说明了单向热传导、热通量放大、逻辑计算和数据存储等功能。b）三个旋转环配置上的温度分布，由所有边界绝热的时谐点热源产生。经许可转载。[102]版权所有2022，美国物理学会。c）石墨烯基热二极管的SEM图像，其中红色大箭头和绿色小箭头分别代表高导热的热流方向和低导热的相反方向。经许可转载。[173]版权所有2017年，Springer Nature。d）实验装置和不同热二极管布置的温度室的红外图像。经许可转载。[213]版权所有2021，Wiley-VCH。e）展示热非互易性和隔离的角动量偏置环的示意图。经许可转载。[223]版权所有2021，Wiley-VCH。f）扩散斐索阻力的起源：通过热威利斯耦合在时空热超材料中产生热量。经许可转载。[164]版权所有2021年，美国物理学会。g）热波非互惠原理图，包括向前情况、向后情况-通过改变源位置的1种情况，[214]版权所有2021，美国物理学会。

图7. a-i）由柱阵列及其参考组成的流体动力均化器的具体结构设计示意图。a-ii）与参考相比，新均化器获得的流动均匀性的实验验证。经许可复制。[238]版权所有2024，AIP Publishing。b-i）热调节器的SEM图像，包括特斯拉阀和侧壁上的规则图案化柱。b-ii）双极性随Re和单相流的有效热通量的变化（DI-水和HFE-7000）。经许可转载。[247]版权所有2023，Springer Nature。c-i）ALIS的微结构。行到行的宽度w，内部到内部的宽度d，和尖端间距p分别为1000、400和750 μm。c-ii）不同物种中水和乙醇的不同运输模式的比较。经许可转载。[228]版权所有2024，AAAS. d-i）倒刺箭头状结构的Magnetic SEM图像。d-ii）两种类型膜之间的整流系数比较。d-iii）两种膜的流动距离比较。经许可转载。[248]版权所有2023，施普林格·自然。

图8. a-i）具有微型针翅排列的多孔壁微通道的SEM图像。a-ii）多孔壁微通道中游的蒸汽传输现象（通道VI到X）。a-iii）在不同的流速和热流密度下，用丙酮的当前实验数据确定的五种沸腾流动模式引起了具有28/1000 Hz的域频率的轻微振荡。[253]版权所有2019，爱思唯尔。b-i）具有16个分支的流动网络的示意图，所述16个分支从盘中心处的进气室发出，具有减小和增大的通道长度。b-ii）最小化的压降随着m的数目变化，作为盘热通量的函数，其中最佳mb由大圆圈突出显示。b-iii）当r=20 mm，wm=85μm，n 0 =10，mb=6时，有效和无效几何图形之间的代表性划分。经许可复制。[257]版权所有2010，Elsevier. c-i）在D=2时不同m的示意性分枝状微通道轮廓. c-ii）在m=7时不同分形维数的微通道. c-iii）分形和平行通道的对流传热比在不同m时随通道长度而变化。c-iv）分形和平行通道的泵送功率比在不同m时随通道长度而变化。经许可复制。[258]版权所有2002，爱思唯尔。

图9.典型的仿生表面结构显示出优异的超疏水特性。a-i）花生叶的SEM图像和照片。在倾斜角度为a-ii）0°和a-iii）180°的花生叶上的水滴（4μL）的CA。a-iv）在雾流中长时间收集的荷叶和花生叶的水积累。经许可复制。[277]版权所有2014年，美国化学学会。b-i）红色玫瑰花瓣的SEM图像和照片。花瓣表面上水滴的形状，倾斜角度为b-ii）0°和b-iii）180°，表明其超疏水性，接触角为152.4°。水滴与红玫瑰花瓣和荷叶接触的示意图。经许可转载。[278]版权所有

图10. a-i）激光结构化PVB基材上超疏水性能的微柱阵列微结构的可逆转变。a-ii）原始/回收SMP微槽阵列的微结构。经许可转载。[289]版权所有2020，Elsevier. b-i）DLIP产生的孔状周期性微图案的大放大倍数SEM图像。b-ii）水滴（7 μL）在平坦和压印的PET膜上。b-iii）水在具有各种纹理比的平坦和结构化PET和PMMA上的静态接触角、前进/后退接触角和滞后。经许可转载。[291]版权所有2020，Springer Nature. c-i）纳米线长度为0和60 nm的ZnO 3D分级纳米结构的横截面和顶视图SEM图像。c-ii）具有不同纳米线长度的500 nm周期纳米柱结构的水和乙醇芯吸距离与时间平方根的关系。c-iii）具有不同纳米线长度的制造纳米结构的水接触角。经许可转载。[292]版权所有2016，美国化学学会。

图11. a）球形PCM大胶囊的制备过程示意图，以及大胶囊核和壳的照片。经许可转载。[337]版权所有2019年，爱思唯尔。b）自组装机制的示意图，带有显示状态转变的图像，比例尺为2 mm。EGaIn和EGaIn@Cu的DSC曲线。经许可转载。[333]版权所有2021年，爱思唯尔。c）纳米封装的液态镓铟共晶金属合金。经许可转载。[334]版权所有2021年，美国化学学会。d）球形LMPCM大胶囊的制备及其对散热器温度响应的影响。经许可转载。[338]版权所有2020，爱思唯尔。

图12. a-i）TIP表面的示意图和SEM图像，显示毛细芯吸，同时控制蒸汽成核。a-ii）与没有纳米结构的表面相比，h-管和h-TIP表面的池沸腾（水）性能。a-iii）在h-TIP表面上沸腾期间分离的液体-蒸汽路径的示意图。经许可复制。[347]版权所有2022，Wiley-VCH. b-i）具有320 μm高度和100 μm直径的硅芯结构的SEM图像。b-ii）在1130 W/cm²的高热通量下的活性蒸气喷射区的示意图和光学图像。b-iii）具有不同芯厚度的芯样品的热通量与衬底温度的关系。b-iv）最大热通量随汽相几何数的变化而变化。经许可转载。[348]版权所有2014，Elsevier. c-i）CuIO结构样品的大放大倍数SEM图像。c-ii）在CuF（IOF）上改性的CuIO的显微可视化。c-iii）三个样品的时间依赖性毛细管抽吸高度。c-iv）含有IOF的超高压用作多孔芯（孔隙率为54%）的温度变化。经许可复制。[352]版权所有2024，爱思唯尔。

图13. a-i）使用NaCl和g-C₃N₄制造的多尺度多孔芯的SEM图像。a-ii）多孔芯的抽吸重量曲线。经许可复制。[354]版权所有2024，Elsevier. b-i）以NW-A3分级结构的多孔表面的SEM图像为例。高度和直径为9-14 μm和110 nm。b-ii）纳米线结构中毛细过程的示意图及参数分析。b-iii）NW-A3上接触线和前体边缘半径随时间的变化。b-iv）NW-A3上芯吸长度与时间t 0.5的平方根之间的关系。经许可转载。[362]版权所有2021，美国化学学会。c-i）烧结青铜样品（dp=300 μm）、ZnO纳米线样品和氧化样品的SEM表征。c-ii）随着热通量密度的增加，比较具有或不具有纳米工程表面的样品的冷却剂消耗速率和温度。经许可转载。[364]版权所有2024，Wiley-VCH。

图14. a-i）暗视野光学显微镜图像显示了茧纤维的重叠。插图：彗星蛾茧的照片，具有反射光泽。a-ii）再生丝和PVDF纤维的横向和纵向横截面的SEM图像。a-iii）一束再生丝纤维和单根PVDF纤维从可见光到中红外区域的光学性质。经许可复制。[384]版权所有2018年，皇家化学学会。b-i）白色鳞片中心部分的SEM显微镜图像。插图：横截面图像和照片的男性Goliathus goliatus。b-ii）仿生结构与实心圆柱体、简单平板和空心圆柱体的反射率比较。经许可复制。[385]版权所有2019年，施普林格自然。c-i）Archaeoprepona demophon的整个身体及其背翼的照片及其相应的中红外发射率映射，背翼的微观结构，诱导结构着色的物理机制，和分别基于脊纳米光栅和多孔结构的PRC。c-ii）多孔结构横截面的显微图像，包括均匀分布在整个膜层上的不同尺寸的孔，以及它们随膜厚变化的光学特性。c-iii）多孔膜和集成仿生膜的辐射冷却性能。经许可复制。[386]版权所有2022，皇家化学学会。

图15. a-i）所提出的具有基于遗传算法和SiO₂的归一化复折射率设计的随机层的辐射冷却器的示意图（绿色线）和Si₃N₄（红线）. a-ii）SiO2的光谱贡献（绿色区域）和Si₃N₄（粉红色区域）层与中红外波段上的总发射率的比率。辐射冷却器的相关功率。经许可转载。[367]版权所有2020，Springer Nature. b-i）冷和热热光子结构的横截面SEM图像。（蓝色曲线）和热（红色曲线）发射器，粉红色油漆（紫色虚线曲线）和黑色油漆（黑色虚线曲线）样品，其中黄色和蓝色阴影区域分别表示标准化的AM1.5太阳光谱和大气透射率。b-iii）屋顶上测试装置的照片。四个样品的温度测量，环境温度（浅灰色）和中午太阳辐照度（绿色）b-iv）无对流效应或b-v）有对流效应。经许可转载。[370]版权所有2018，Springer Nature. c-i）包括五种材料的多层PRC膜的示意图。c-ii）发射体1的测量和计算的发射率/吸收率（红色实曲线）和发射器2（绿色实心曲线）与标准化的AM 1.5太阳光谱成12°角。（插图）两个发射器在UV区域的结果。c-iii）和c-iv）发射器1的光学性质（红色实心曲线）和发射体2（绿色实心曲线）在30°光谱角。经许可转载。[388]版权所有2019，MDPI（巴塞尔，瑞士）。

图16. a-i）所提出的用于辐射冷却的超材料的示意图。a-ii）具有100 nm厚的银层涂层的亚波长介质谐振器超颖表面的SEM图像。a-iii）在11.3 μm处的超颖表面上的模拟电场分布。a-iv）模拟吸收率和测量吸收率的比较。蓝色虚线-虚线和紫色离散线表示在垂直入射激发和23°入射下的结果，红色实线是在15°至30°角度范围内测得的吸收率。灰色背景是作为基准的大气透射率。[382]版权所有2015年，Wiley-VCH。b-i）CMM图案的示意图。b-ii）模拟的和c）随着CMM支柱的底部宽度变化的超表面的测量的发射率/吸收率，CMM结构的放大SEM图像（底部宽度=1.75 μm）. b-iii）计算得出的具有3%太阳能吸收和辐射绝缘的CMM超材料的冷却功率。经许可复制。[Copyright 2017，Wiley-VCH.c-i）35 × 35 cm²AS辐射冷却器的照片。c-ii）AS发射器的示意图，该AS发射器由覆盖有UV-VIS反射层的反射光栅组成，红外透明纳米PE膜。c-iii）计算的11 μm波长下热辐射强度的角度（左）和空间（右）分布。c-iv）全天太阳辐照下AS发射器的冷却性能（峰值太阳辐照度>920 W/m²）。c-v）在覆盖有AS发射器和全向宽带发射器的建筑物墙壁上不同位置的净冷却功率比较。经许可复制。[373]版权所有2024，AAAS。

图17. a-i）具有随机分布的SiO₂微球夹杂物的玻璃-聚合物混合膜的示意图。a-ii）显示通过卷对卷方法生产的300 mm宽的混合超材料薄膜的照片。a-iii）实验和理论光学性质的比较a-iv）在3天内测量的辐射冷却功率示出了平均冷却功率> 110 W/m²，中午冷却功率为93 W/m²。经许可转载。[383]版权所有2017，AAAS. b-i）显示具有纳米多孔特征的P（VdF-HFP）HP的顶视图和横截面视图的显微镜。b-ii）相对于归一化的全局太阳光谱和大气窗口呈现的300 mm厚的膜涂层的光谱和角反射率。B-iii）中午给定薄膜的温度降低。b-iv）下午随时间的温度降低和平均冷却功率。经许可转载。[391]版权所有2018，AAAS。c-i）制造的PRC薄膜的照片、顶视图SEM图像、光学轮廓仪3D图像和测量的光学参数。c-ii）拟议PMRC薄膜的真实的时间温度下降。[376]版权所有2024，施普林格·自然。

图18.涂覆或附着在a）建筑物、b）手、c）COVID 19防护服、d）水冷却器系统、e）汽车引擎盖、f）木材和g）类似防水油布设计的独立式片材表面上的各种PRC膜的照片和/或示意图。经许可复制。[373，376，378，391] a、B、f和g的版权，2024年，2016，2018，AAAS. c，d，and e，2023，Springer Nature版权所有。

图20. a）传统（正向）和AI辅助（逆向）设计过程的比较。b-i）预设计的单位单元数据集的示意图，深度生成网络的架构，训练数据在潜在空间中的分布。b-ii）各种设计的热斗篷的辐射温差。b-iii）两种热斗篷的实验测量温度场。经许可复制。[429]版权所有2023年，威利-VCH。c）通过人工神经网络优化热集中器的几何设计示意图，并实现了图4 b所示的预期热集中效果。经许可复制。[183]版权所有2022，Elsevier。d-i）使用人工神经网络的多层结构示意图。d-ii）通过人工神经网络获得的目标光学参数与数值模拟的对比验证。经许可复制。[430]版权所有2021，美国光学学会。

图21. a-i）DIP的示意图显示了在部分浸没的打印头上形成的空气-液体边界。a-ii）打印头中内部空气体积的声学操纵。a-iii）通过DIP制造的打印样品包括鲍曼胶囊和三螺旋结构。比例尺2 mm（左）1 mm（右）。经许可复制。[474]版权所有2024，Springer Nature. b-i）熔融沉积建模3D打印的示意图。FDM 3D打印的hBN/TPU样品在b-ii）打印和b-iii）厚度方向的横截面的SEM图像。经许可转载。[475]版权所有2021，Elsevier. c-i）通过表面涂层制备Bio-PRC薄膜的过程。c-ii）Bio-PRC涂层的SEM图像。经许可转载。[387]版权所有2019，Elsevier. d-i）皮秒激光加工制造的3D微/纳米结构示意图。d-ii）微结构的3D和d-iii）SEM图像。经许可转载。[476]版权所有2024，Springer Nature. e-i）用于制造硅芯的DRIE工艺流程。e-ii）Si圆柱体簇和e-iii）的SEM图像[477]版权所有2012，Elsevier。f-i）用于制备3D结构PRC薄膜的卷对卷压印步骤示意图。f-ii）用于辐射冷却的聚合物超材料的SEM。经许可复制。[376]版权所有2023，Springer Nature。

图22. a）有（右）或无TIM（左）的芯片示意图，展示其散热性能。经许可转载。[521]版权所有2024，Wiley-VCH。b）在破坏氧化层后，在芯片表面涂覆TIM（LM）的演示。经许可转载。[522]版权所有2024，Wiley-VCH。Elsevier. c-i）和c-ii）采用LMPCM和传统冷却策略的CPU散热测试照片。c-iii）使用两种类型的LMPCM和无TIM的CPU核心温度比较。经许可转载。[523]版权所有2023，Wiley-VCH。d-i）具有夹在LED和散热器之间的TIM的LED冷却系统。d-ii）具有不同TIM的LED冷却系统的红外图像。[524]版权所有2024，Wiley-VCH。

图23.用于商业化微芯片的微通道散热器的照片，包括a-i）Alphacool、a-ii）Swiftech和a-iii）Thermaltake。经许可转载。[531]版权所有2024，Elsevier。b）几种类型的入口/出口微型散热器。经许可转载。[531]版权所有2024，Elsevier. c-i）具有基于与单个芯片集成的四个GaN功率肖特基势垒二极管的液体冷却功率IC的交流-直流转换器的示意图。c-ii）嵌入PCB中的冷却剂补充剂的结构图示。c-iii）具有热交换器的转换器的照片

图24. a）各种电子冷却技术的年度出版物计数。MEC、NEC、NEC-E和NREC代表基于微结构的电子冷却、基于纳米结构的电子冷却、基于微结构的电子冷却的实验研究和基于非互易的电子冷却。b）不同冷却方法的传热性能，FC和NC代表单相/两相强制对流和自然对流，[5]版权所有2024，Elsevier。

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作者信息

贾宝华，原子材料与纳米制造中心创始主任。当选澳大利亚技术科学与工程院院士及OPTICA会士。其研究致力于光与纳米材料相互作用的基础科学探索，重点研究二维材料的激光调控技术，旨在实现清洁太阳能的高效捕获与存储、水与空气的净化处理、以及基于超快激光的成像与光谱技术和纳米加工，推动高速全光通信与智能制造发展。

韩林，现任澳大利亚皇家理工大学副教授，SPIE成员，分别于2005年和2008年获得厦门大学物理学学士和硕士学位，2013年获得斯威本科技大学光学博士学位，目前主要研究方向为纳米光子学、二维材料和激光纳米织物。

郭春胜，教授，博士生导师，现任山东大学学生就业创业指导中心主任，全尺度热管理与能源综合利用中心（Centre for Omniscale Thermal Management and Comprehensive Energy Utilization, OTM-EU）负责人。长期从事微纳制造与能源科学研究，聚焦航天热控环路热管、5G芯片微纳尺度靶向散热、核能供热及海水淡化等方向，取得了系统性原创成果。主持国家及省部级科研项目30余项，总经费超1600万元，其中包括山东省重点研发计划（科技示范工程）“核动未来”科技示范工程一期“核能供热及海水淡化关键技术研究与应用示范”项目。研究成果发表于eLight、Advanced Materials等国际高水平期刊，发表论文70余篇；以第一发明人授权国家发明专利150余项，形成以海水淡化、芯片散热与航天热控为核心的系列专利群。