清华大学团队MD模拟研究佳作！

六方氮化硼（h-BN）凭借其优异的电绝缘性、高热导率和^的结构稳定性，日益受到广泛关注。层状六方氮化硼纳米片（BNNS）作为一种本征具备多重优势的三维范德华结构，已成为^前景的下一代热界面材料（TIMs），特别适用于先进芯片散热领域。

尽管BNNS凭借突出的热导率和绝缘特性成为新一代芯片冷却的理想热界面材料，但其实际应用受到BNNS/基底界面高热接触电阻（TCR）的限制。既往提出的降低TCR方法常会损害BNNS的化学完整性，导致性能下降。

DOI: 10.1016/j.mtphys.2025.101827

鉴于此，2025年8月6日，清华大学能源与动力工程系段远源、杨震教授团队在Materials Today Physics上发表研究成果。

研究者提出一种保持BNNS完整性的解决方案——通过对邻近基底（本文以石墨烯为例）实施功能化策略，在不破坏BNNS晶格结构的前提下提升界面热导（G）。

根据分子动力学（MD）模拟结果，功能化石墨烯与BNNS异质界面的G值较原始BNNS/石墨烯界面提升逾800%，^可达1503MW·m⁻²·K⁻¹。进一步采用基于MD的方法量化界面耦合强度，揭示功能化提升界面热导的内在机理。该研究为BNNS集成于下一代芯片散热热界面材料提供了有效路径。

如图1a所示，本研究模拟的BNNS/F-Gra范德华异质结构由中心单层石墨烯及两侧对称分布的8层BNNS构成。BNNS与石墨烯具有相同的宽度和长度。BNNS层间距、原始BNNS/石墨烯异质界面间距及BNNS/F-Gra异质界面间距初始值分别设定为3.33Å、3.5Å和3.6Å。

图1. BNNS/功能化石墨烯范德华异质结构示意图

二维层中B-N键与C-C键长度设置对模拟的影响详见附表。模型在x、y轴方向采用周期性边界条件，并固定顶层与底层h-BN以阻止层间重新取向。模型顶部和底部均设置15 Å真空层以避免周期性结构间的干扰。

完成所有BNNS/F-Gra范德华异质结构构建后，采用非平衡分子动力学（NEMD）模拟计算功能化基团（FGs）取向侧的石墨烯与相邻h-BN异质界面间的热导G。所有G值为5次独立模拟的平均结果，每次模拟在LAMMPS软件中采用不同的初始速度种子。

图2. 石墨烯-H、石墨烯-CH3及石墨烯-NH2体系在相反热流方向下跨越BNNS/功能化石墨烯异质界面的界面热导G

为明确展示G值计算过程，补充材料图对比展示了原始BNNS/石墨烯体系与BNNS/Gra-CH3体系在稳态下的典型温度分布曲线。图2a绘制了在相反热流方向（Q向上与Q向下）下不同功能化基团类型对应的G计算结果，其构型示意参见图2b。

为进行声子相互作用势（SIP）计算，研究者在热稳态条件下为每个BNNS/石墨烯体系随机选取12个时间帧。在每个时间帧中，对原始石墨烯或功能化石墨烯手动施加微小面外位移Dz（范围-0.025至0.025 Å，共21个采样点），并记录相邻h-BN层因界面声子耦合反馈产生的面外力Fz。

图3. 作用于(a)原始石墨烯与(b)CH3功能化石墨烯相邻h-BN层的面外力(Fz)

图3a展示了原始BNNS/石墨烯异质界面上六组代表性数据的Fz随Dz变化曲线，作为基准参照。图3b呈现BNNS/Gra-CH3界面的Fz-Dz关系，而图3c则显示施加于第二邻近h-BN层的对应Fz响应。石墨烯层与非相邻h-BN层间可忽略的声子耦合现象，证实了本方法精准识别界面声子的能力。

如图4d所示，原始BNNS/石墨烯异质界面的声子传输以低频模式为主导。相比之下，石墨烯共价功能化修饰的CH3基团激活了原有受抑制的中高频声子传输通道，在该频段实现量级跃升。

图4. (a)基准体系原始BNNS/石墨烯中石墨烯与界面h-BN层的面外声子态密度(PDOS)；(b)原始BNNS/石墨烯与BNNS/Gra-CH3体系界面h-BN层PDOS对比

这些高频声子携带显著热量，但对界面耦合状态高度敏感。该机制解释了为何约20%的界面力常数（SIF）增幅可引发近800%的界面热导（G）提升。

范德华异质结构中的热传输受多重因素影响，是高度复杂的过程。为此，我们以BNNS/Gra-CH3体系为代表性案例展开深入研究。鉴于界面键合能（Ebonding）增强可促进界面热传输，且功能化基团（FGs）的连接密度ρ直接调控体系中的Ebonding，首先探究ρ对界面热导G的影响。

图5. 界面热导G

此处ρ定义为FGs的归一化表面密度，其中ρ=^对应周期性边界条件下无空间位阻的^覆盖密度，较低ρ值表示FGs数量按比例减少且在石墨烯表面均匀分布。

如图5a所示，当ρ从20%增至50%时，G呈上升趋势，但在全覆盖状态（^）时转为下降。中等ρ值下G的增强归因于FGs引入的额外界面键合作用。

总之，本研究通过理论揭示功能化调控范德华异质结构中声子耦合的机制，填补了该领域的研究空白，并为设计此类功能化异质界面提供了实用指导。

尽管仍存在挑战，但研究者提出的保持BNNS完整性的功能化策略展现出显著的实验潜力。后续研究者将开展实验验证，以加速BNNS作为高性能热界面材料的应用部署。