东华大学Advanced Materials：声子晶体薄膜解锁散热新 “姿势”

解决的问题：低介电材料热导率普遍较低，难以满足 3D 异构集成技术中信号传输与散热同步优化需求。

提出的方法：提出结晶控制策略，通过精确控制合成参数，制备由氮化硼纳米片（BNNS）和结晶聚酰亚胺（PI）桥组成的声子晶体纳米纤维（NF）超材料薄膜。

实现的效果：制备的声子晶体 NF 薄膜实现了高达 6.51 W/(m・k) 的高导热率和 2.63 的相对低介电常数，提升了 3D 集成系统的能源效率。

创新点：采用 “无机诱导有机结晶” 策略，构建声子晶体状超材料结构，打破传统材料介电常数与热导率难以兼顾的局限，实现两者性能的协同优化。

研究成果以题为 “Low Dielectric and High Thermal Conductive Phononic Crystal Nanofiber Metamaterial Film” 发表于《Advanced Materials》上。东华大学Xiaoyun Xie 为论文第一作者，Jianhua Yan为论文通讯作者。

摘要：3D异构集成技术的快速发展对低介电材料的热导率提出了严格要求。然而，常见的低介电材料通常热导率较低，这阻碍了集成系统中信号传输和散热的同步优化。在此，我们提出一种结晶控制策略，以应对平衡高导热率和低介电常数的挑战。通过精确控制合成参数，成功开发出由氮化硼纳米片（BNNS）和结晶聚酰亚胺（PI）桥组成的声子晶体纳米纤维（NF）超材料薄膜。结晶PI桥接结构与BNNS协同作用，在纤维内部形成类似声子晶体的超材料，增强晶格振动并促进热传递。同时，纤维周围的PI保持长程无序结构，阻碍偶极子排列。这种协同效应使声子晶体NF薄膜实现了高达6.51W/(m・k)的高导热率和2.63的相对低介电常数，从而提高了3D集成系统的能源效率。

结论：本文提出了一种广泛适用且可扩展的结晶控制策略，适用于结晶聚合物和二维纳米填料。通过调整后处理温度，高导热的 BNNS 诱导结晶 PI 桥的形成，提高了伸展链中结晶区域的密度和体积分数，从而形成了顺畅的声子传输通道。此外，包裹 BNNS 的无定形 PI 减轻了极化效应。最终，开发出具有低介电常数和高导热率的 PI@BN NF 薄膜，在下一代高效电子器件和高速通信系统中展现出巨大的应用潜力。我们希望这种新颖的方法能够启发未来结合低介电常数和高导热率的材料设计。

图1：材料设计与机理示意图。

图2：材料合成与表征。

图3：介电性能表征。

图4：MD 和 DFT 计算。

图5. 热导率表征。

图6： 作为热界面材料及在集成电路中的应用。

文章信息：

X. Xie, J. Wu, Y. Ma, S. Li, J. Yan, Low Dielectric and High Thermal Conductive Phononic Crystal Nanofiber Metamaterial Film. Adv. Mater. 2025, 2502146.

https://doi.org/10.1002/adma.202502146