随着电子设备向微型化、多功能化和集成化的持续发展，其功率密度不断上升。温度的升高对设备的运行速度、能耗、使用寿命和成本带来了严峻挑战[1]。预测表明，芯片的热流密度将达到500 W/cm²，局部热点甚至超过1000 W/cm²。散热失效严重影响了设备的可靠性和寿命。开发具有高熱導率且熱膨胀係數可控的热管理材料已成为解决这一问题的迫切需求。
金屬基複合材料（MMCs）因其在熱力學性能方面的強大可設計性而成为熱管理研究的热點。基于銅的系統结合了高熱導率（約400 W·m⁻¹·K⁻¹）和成本优势，已被广泛用于高功率设备的散熱器和封装[2,3]。传统的相增強劑（如石墨烯和SiC）可以提升熱導率，但其性能存在明显的方向依赖性且界面粘合较弱，不适合满足下一代高功率设备的热管理要求[4]。金刚石具有极高的熱導率（約2000 W m⁻¹ K⁻¹）和低熱膨脹係數，使其成为理想的增強相。通过合理控制粒徑、體積分数和界面結構，可以实现熱導率和熱膨脹係數的協同优化，从而更好地匹配半導體芯片的熱物理特性。然而，金刚石與銅之间的潤湿性较差，导致界面熱阻過高，严重限制了複合材料整体熱導率的提升。
针对界面熱阻問題，表面刻蚀技術已被證明是一种有效的改進方法。在光滑的硅表面上通過光刻技術製造納米柱可以將熱界導熱係數（TBC）提高多达90%[5]。该方法同样适用于金刚石表面。楊等人[6]通过空氣退火和空氣酸處理對金刚石進行表面刻蚀，使金刚石/InSnBi複合材料的熱導率提高了1.81倍。劉等人[7]采用真空退火處理金刚石，使製備的SiC基複合材料的熱導率提高了24%。吳等人[8,9]分别在金刚石（111）和（100）表面上製造了規則的三角錐和規則的四角錐，表面粗糙度達到11.1 μm，相应地金刚石/Cu複合材料的熱導率提高了12%，達到602 W m⁻¹ K⁻¹。蘇等人[10]也使用刻蚀后的金刚石作爲增強相，刻蚀後的热導率提高了16%，達到643 W m⁻¹ K⁻¹。所有上述實驗均表明，表面刻蚀可以显著提升金刚石/銅複合材料的熱性能。
模擬研究为界面形態的優化提供了进一步的理論支持。分子動力学模拟表明，粗糙的界面結構可以通过延長聲子傳播路径和多重反射機制來提高TBC。齊等人[11]研究了納米柱對AlN/金刚石界面熱界阻的影响，發現最佳納米柱結構可使熱界阻降低28%。蘭等人[12]通過蒙特卡洛模擬證明，在界面引入具有更大垂直深度的納米結構可以进一步增强聲子傳輸。王等人[13]通過非平衡分子動力学（NEMD）模擬和時域熱反射實驗表明，三维粗糙界面提供了额外的聲子反射位點，使金刚石/銅界面的TBC提高了5.5倍。廖等人[14]进一步證明，正弦波粗糙度的高度和頻率越大，TBC的提升越明显，最大可提高4.2倍。
然而，大多数模擬研究都集中在理想的粗糙（正弦波）結構上，这与實際刻蚀形貌有显著差异。针对實際刻蚀图案的模擬研究仍不夠充分。此外，金刚石顆粒通常呈八面體或六面體形態，在不同晶面上存在變化。晶體方向對金刚石/銅界面聲子傳輸的影響機制尚不清楚。因此，本研究采用NEMD方法研究了（100）金刚石/銅和（111）金刚石/銅在不同刻蚀图案密度下的界面熱傳遞過程，揭示了表面刻蚀图案比例、聲子耦合和TBC之间的内在關係。本研究旨在為高性能熱管理複合材料的結構設計提供理論基礎，从而推進其在電子封装和航空航天熱管理中的應用。
