Thermo-X丨湖南大学秦光照团队 - 原子排布“为热流导航”：C₂₄单层材料开启芯片定向散热新路径

转自 Thermo-X 热科学前沿

【作者及机构】

Qikun Tian¹†, Ruyi Li¹†, Hongkai Zhang¹, Enbo Zhang¹, Xiong Zheng¹, Huimin Wang², Zhenzhen Qin³, Guangzhao Qin¹˒⁴˒⁵*

¹ 整车先进设计制造技术全国重点实验室，湖南大学机械与运载工程学院，湖南长沙 410082

² 湘潭大学物理与光电工程学院，湖南湘潭 411105

³ 材料物理教育部重点实验室，郑州大学物理学院，河南郑州 450001

⁴ 湖南大学粤港澳大湾区创新研究院，广东广州 511300

⁵ 集成电路材料全国重点实验室，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050

† 共同第一作者；* 通讯作者（gzqin@hnu.edu.cn）

文章题目：Atomic-level engineering thermal transport anisotropy in C₂₄ monolayers for directional heat spreading

DOI: 10.70401/tx.2026.0032

导读

随着芯片集成度和功率密度持续攀升，热量若长期滞留在局部热点，器件性能与可靠性都会受到影响。与其只追求“导热更快”，如何让热量沿指定方向扩散，正成为热管理的新问题。本研究以两种原子排布不同的C₂₄单层碳材料为对象，结合机器学习势、第一性原理和器件仿真，揭示原子连接方式如何为热流“定向导航”，为无需外场的超薄芯片散热材料设计提供新思路。

正文解读

01

从“散得快”到“散得准”：芯片热管理的新命题

电子器件越做越小、功能越堆越密，单位面积内产生的热量也随之增加。传统热管理往往强调提高材料的整体导热能力，但在真实芯片中，处理器核心、存储模块等区域的发热并不均匀。若材料能让热量优先沿某一方向传递，就有望绕开敏感区域、疏散局部热点，并进一步调节器件之间的热串扰。因而，兼具较高热导率和本征各向异性的二维材料，正在成为定向散热的重要候选。

碳材料具有丰富的成键方式，同一种化学组成也可能形成截然不同的原子网络。本研究关注由C₂₄笼状单元构成的两种单层结构：准四方相（qTP）和准六方相（qHP）。研究团队希望回答三个问题：原子空间排布能否在不施加应变、电场或人为缺陷的情况下产生稳定的热导各向异性？这种差异来自哪些声子和电子结构机制？它最终能否转化为器件尺度上的定向散热能力？

02

同样是C₂₄，连接方式画出两张“热流地图”

qTP与qHP的化学组成相同，但“搭积木”的方式不同。qTP中，C₂₄单元在面内形成较为均衡、近似方形的共价网络；qHP则呈现明显的链状拓扑，沿y方向由较强的非共面键相连，沿x方向的相邻链主要通过较弱的对角单键耦合。这种连接强弱和方向性的差别，为后续热输运分化埋下了结构伏笔。声子谱中未出现虚频，300—700 K的第一性原理分子动力学模拟也未观察到明显重构或断键，说明两种结构在计算条件下具有良好的动力学和热稳定性（图1）。

图1  qTP与qHP C₂₄单层的原子结构、NEP模型训练与精度验证，以及NEP和DFT计算的声子色散对比。

为兼顾第一性原理的精度与大尺度分子动力学的效率，团队构建了神经进化势（NEP），并用能量、力、位力和应力等数据进行训练与测试。测试集能量均方根误差为0.960 meV/atom，力均方根误差为145.834 meV/Å；NEP得到的声子谱也与密度泛函理论（DFT）基准吻合。由此，研究可在原子尺度上追踪足够长时间、足够大体系中的热流演化。

03

特定的原子排布让qHP中热量更愿意沿y方向前进

团队采用两条相互独立的路线计算晶格热导率：一条是DFT结合声子玻尔兹曼输运方程（DFT-BTE），另一条是NEP驱动的均匀非平衡分子动力学（NEP-HNEMD）。在300 K下，qTP沿x、y两个方向的热导率几乎相同：DFT-BTE均为373 W·m⁻¹·K⁻¹，NEP-HNEMD均为234 W·m⁻¹·K⁻¹，呈现近各向同性传热。

qHP则表现出清晰的方向偏好。DFT-BTE给出κ_x=181、κ_y=301 W·m⁻¹·K⁻¹；NEP-HNEMD给出κ_x=130、κ_y =216 W·m⁻¹·K⁻¹。虽然两种方法预测的绝对值不同，但均得到κ_y /κ_x≈1.7，并一致指出y方向是更高效的传热方向。绝对值差异可能同时受到高阶非简谐散射和机器学习势残余力误差等方法因素影响，因此研究将重点放在两种方法共同支持的相对趋势和物理机制上。

进一步的频谱分解显示，两种结构的主要热流都来自约10 THz以下的低频声子。qTP的热输运主要由声学支承担，光学支贡献约10%；而qHP中，光学声子对x、y方向热导率的贡献分别可达约41%和30%。在复杂的C₂₄网络中，一部分低频光学模与声学模发生杂化，从而获得可观的群速度并参与传热，这不同于声学声子几乎独占主导的简单晶体图景。

图2  qTP与qHP C₂₄单层的热导率收敛、DFT/NEP结果对比、平均自由程与频谱分解，以及方向依赖的弹性性质。

04

热输运各向异性从哪里来：速度、散射与低频光学模协同作用

热导率并非只由“声子跑得多快”决定，还取决于声子能跑多远、多久以及彼此如何散射。qHP在约10 THz以下的声子群速度呈明显方向差异，y方向声学支更陡、传播更快，这与其沿y方向更强的链内连接相呼应。与此同时，qHP的声子参与率整体更低，说明振动模式更易局域化；其声子寿命更短、低频区Grüneisen参数绝对值更大，意味着非简谐性和散射更强。这些因素共同压低了qHP的整体热导率，却没有抹去y方向相对x方向的优势。

值得注意的是，qTP虽然拥有更大的三声子散射相空间，却因非简谐性较弱而保持更长的声子寿命。qHP则呈现另一种竞争关系：较强的声子局域化和非简谐散射抑制总热导率，但密集的低频光学支又通过声学—光学耦合参与传热。正是方向依赖的声学输运、低频光学模参与和模式局域化之间的共同作用，塑造了qHP的本征热各向异性。

图3  声子群速度、参与率、弛豫时间、Grüneisen参数、三声子散射相空间与谱能量密度揭示的微观传热机制。

05

从电子轨道追到化学键：原子排布为何能改写声子传播

研究进一步把视角推进到电子结构。qTP和qHP均呈半导体特征，计算带隙分别为2.02 eV和1.67 eV。qTP中，面内p_x与p_y轨道近乎简并，电子局域函数分布也更对称，表明不同面内方向的C—C成键环境较为均衡。与之相对，qHP的p_x与p_y轨道贡献明显分离，电子局域呈拉长且不均匀的空间分布，对应方向依赖的成键强度和刚度。

这一结果把“结构—电子—声子—热输运”串成了连续因果链：原子排布降低面内对称性，造成轨道杂化和化学键网络的方向差异；成键差异进一步改变弹性响应、声子群速度和散射过程，最终形成可观测的热导各向异性。相比依赖外加应变、电场或缺陷的调控方案，这种策略把方向性直接写入材料的原子结构之中。

图4  qTP与qHP C₂₄单层的轨道投影能带、分波态密度及电子局域函数。qHP中p_x/p_y轨道不等价与方向依赖成键相呼应。

06

从原子走向器件：定向导热能否真正缓解芯片热点？

为检验材料性质能否转化为器件层面的收益，团队在COMSOL中建立了一个简化的“处理器核心—六个存储模块”三维稳态传热模型，并把C₂₄单层视作覆盖在发热硅区表面的超薄铺展层。模型分别比较无涂层、各向同性qTP涂层和各向异性qHP涂层三种情形，并令qHP的高热导方向对准主要热扩散路径。

在理想界面接触条件下，无C₂₄涂层时，处理器核心和存储模块的平均温度分别为120.46 ℃和95.72 ℃；加入qTP后降至112.70 ℃和92.17 ℃；加入qHP后进一步降至112.39 ℃和91.19 ℃。相较裸器件，qHP使两类区域平均温度分别降低8.07 ℃和4.53 ℃。温度云图和等温线也显示，C₂₄层能把集中在核心附近的热量铺展到更大区域，而各向异性qHP提供了调节热流方向和热串扰的额外自由度。

图5  C₂₄单层作为超薄热铺展层时的器件级有限元模型、中心线温度曲线、温度分布与等温线。

研究总结和展望

本研究表明，改变同一种C₂₄单元的空间连接方式，就能在原子层面调控热量的传播方向。qTP凭借近方形晶格和均衡成键网络表现出较高、近各向同性的热导率；qHP则因链状连接、轨道杂化不等价和方向依赖的声子输运，在室温下形成约1.7的面内热导各向异性。高精度机器学习势、第一性原理、模式分辨分析和有限元模拟共同建立了从原子结构到器件散热的完整证据链。

面向未来，首先需要实现qTP/qHP C₂₄单层的可控制备，并通过方向分辨热测量验证其本征热输运；其次，应系统评估C₂₄/衬底界面热阻、转移污染、缺陷和结构扰动对定向散热的影响；再次，可围绕晶向对准、图案化铺展层和芯片热点布局开展材料—器件协同设计。进一步结合温度、应变、层数与异质界面调控，有望把“原子排布编码热流方向”的理念拓展到更多二维热功能材料。

基金信息

1. 湖南省研究生科研创新项目（CX20250532）

2. 国家自然科学基金（52006057）

3. 国家重点研发计划（2023YFB2408100）

4. 广东省基础与应用基础研究基金（2025A1515012237）

5. 哈尔滨工业大学机器人技术与系统全国重点实验室开放基金（SKLRS-2025-KF-10）

6. 国家科技重大专项（2025ZD0717301）

7. 整车先进设计制造技术全国重点实验室项目（72675007）

8. 集成电路材料全国重点实验室开放研究基金（SKLJC-K2026-04）

9. 陕西省齿轮传动重点实验室开放项目（SKLGT-2024-005）

通讯作者介绍

秦光照 教授

秦光照，湖南大学机械与运载工程学院教授、博士生导师，整车先进设计制造技术全国重点实验室固定成员、岳麓学者、Vebleo Fellow。主要从事AI for thermal、微纳尺度传热与智能热管理研究，聚焦芯片散热、原子级设计与制造以及多尺度热输运模拟。合作发表SCI论文170余篇，其中第一/通讯作者100余篇；论文总被引6800余次，H因子44；另有学术专著3部、软件著作权4项、专利2项。

个人主页：https://guangzhao.mysxl.cn/