Nano Res.[理论]│清华大学科研团队：分子桥触发声子传输通道，有望突破范德华界面导热瓶颈

背景介绍

近年来，人工智能技术迅猛发展，驱动全球计算需求快速增长，也对芯片算力、能效与集成度提出了更高要求。随着晶体管尺寸缩小至纳米级甚至原子级，三维堆叠技术已成为半导体行业的重要发展方向之一。在这类结构中，二维半导体材料或层状材料通常通过范德华相互作用层层堆叠，因此会形成大量范德华界面。

在芯片散热场景中，不少界面由半导体和绝缘体材料构成，热量传递的主要方式之一是通过“声子”，通俗来讲是由晶格振动引发的能量传递。然而，当声子跨越范德华界面传递时，容易发生散射效应，进而产生极高的微纳尺度界面热阻。其原因在于，范德华相互作用是一种较弱的键合作用，不利于声子的高效传递。由范德华界面引起的高界面热阻，已经成为芯片内部热堆积的主要来源之一，并制约芯片整体散热效率。解决这一问题，对于提升芯片性能、推动高算力器件和人工智能硬件发展具有重要意义。

成果简介

近日，清华大学段远源、杨震团队在《Nano Research》发表题为“Significantly enhanced thermal conduction across multilayer graphene assembled by molecular bridges vs. van der Waals interactions”的研究论文。该工作采用反应力场（ReaxFF）分子动力学模拟方法，以多层石墨烯作为研究对象，提出了一种基于共价键分子桥的范德华界面连接策略。研究发现，在多层石墨烯层间引入分子桥进行共价键连接后，体系跨界面热导率可实现超过20倍提升。进一步通过声子热流谱分析，揭示了共价键分子桥在范德华界面中的声子杂化机制：分子桥在界面区域触发了新的声子传输通道（特征频率约50 THz），从而突破了弱范德华层间耦合对跨界面导热的限制。

本工作为增强范德华界面导热提供了新的设计思路，也为二维热界面材料在芯片散热中的应用提供了理论参考。

图文导读

图1 分子桥组装多层石墨烯的模拟模型。

研究首先构建了两类多层石墨烯模型：一类是常规多层石墨烯，相邻石墨烯层之间仅依靠较弱的范德华相互作用连接；另一类是在相邻石墨烯层之间引入分子桥（一维碳链结构，由一个或多个CH₂基团构成），使其通过共价键连接相邻石墨烯层。在非平衡分子动力学（NEMD）模拟中，研究人员在模型上下两端设置热源和热沉，使热量沿跨界面方向传递。通过比较这两类模型，可以判断共价键分子桥连接策略是否能够有效增强层间声子传递，从而突破弱范德华相互作用对界面导热的限制。

图2 共价键分子桥连接策略显著提升多层石墨烯跨界面热导率 。

研究人员计算了这两类多层石墨烯体系的跨界面热导率。结果显示，常规多层石墨烯由于层间仅依靠较弱的范德华相互作用连接，跨界面热导率较低；而在相邻石墨烯层之间引入分子桥并形成共价连接后，跨界面热导率显著提升。其中，当分子桥中仅包含一个CH₂基团时，体系的跨界面热导率相比普通多层石墨烯提升超过20倍。这说明分子桥共价连接可以有效增强层间热量传递，是突破范德华界面导热瓶颈的有效策略。

研究还发现，分子桥连接密度越高，体系的跨界面热导率越大；而在相同连接密度下，分子桥的均匀排布或随机排布对整体热导率的影响较小。这表明，相比于具体的空间排布方式，分子桥能否充分连接相邻石墨烯层界面，对增强跨界面导热更为关键。

图3 原有范德华传热通道被分子桥削弱 。

为了进一步揭示界面导热提升的声子传输机制，研究人员首先分析了体系中间石墨烯层的声子态密度（PDOS）和声子参与率（PPR）。结果发现，引入分子桥后，石墨烯层中有利于热量传递的声子数量并没有增加，反而出现了更强的声子局域化现象，这会阻碍热量跨界面传递。

这一结果看似与“分子桥提升跨界面热导率”的结论矛盾，但实际上揭示了一个关键信息：分子桥带来的界面导热增强，并不是因为原有的范德华传热通道变强了。相反，分子桥连接会使石墨烯层间距略微增大，并在石墨烯表面引入一定起伏或结构扰动，从而削弱层间范德华相互作用，降低原有范德华声子传输通道的效率。

图4 分子桥触发连续声子传输通道。

图3表明，分子桥并不是通过强化原有范德华声子传输通道来提升导热。为了找到真正的增强机制，研究人员进一步计算了声子热流谱（HS），用于分析界面区域不同频率声子的传输与透射特性。

结果显示，在普通多层石墨烯中，跨界面热量主要依靠低频声子传递（0 – 5 THz，由石墨烯层间范德华相互作用主导），由于仅发生在相邻层，整体声子传输通道是不连续的。引入分子桥后，体系在中高频区域（> 10 THz）的声子传输明显增强，并在约 50 THz 处出现特征峰，这归因于分子桥与石墨烯层间的 C–C 共价键合作用。

这一结果揭示了分子桥在范德华界面中的声子杂化机制：分子桥在界面区域触发了新的声子传输通道，并使该通道贯穿整个范德华层状结构。相比由范德华相互作用主导的低频、受限声子通道，这一连续通道具有更强的声子传输能力，从而显著提升了多层石墨烯跨界面热导率。

与此同时，研究进一步发现，分子桥的长度也会影响界面导热性能。随着分子桥变长，热量传递更多依赖分子桥本身，同时声子在分子桥内部的传递方式会发生变化，使体系的界面热导率随分子桥长度而改变。这表明，分子桥不仅可以增强范德华界面导热，还可以作为调控纳米尺度界面热输运的结构单元。

作者简介

段远源，清华大学教授，博士生导师。国家杰出青年科学基金、霍英东青年教师基金、全国优秀博士学位论文、教育部第三届高校青年教师奖获得者，享受国务院政府特殊津贴。研究方向：热力学与流体热物理性质、能源系统分析、传热传质学、湿润动力学等。曾主持国家重点研发计划课题、国家973课题、国防 973 课题、国家科技支撑计划子课题等项目。

杨震，清华大学长聘副教授，博士生导师。曾获清华大学“221基础研究人才计划”奖励、兼任北京热物理与能源工程学会理事。研究方向：太阳热能发电与储存、微纳尺度传热传质、复杂多孔介质传热传质、相变换热等。曾主持或参加国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目等。

文章信息

Diao C, Yang Z, Duan Y. Significantly enhanced thermal conduction across multilayer graphene assembled by molecular bridges vs. van der Waals interactions. Nano Research, 2026, 19(7): 94908601. https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908601.