随着科学技术的不断发展和现代工业的实际需求,芯片技术朝着高度集成和小型化的方向发展,这导致近年来芯片产生的热通量逐渐增加,甚至存在热流密度超过1000 W/cm2的局部热点。随着传统的冷却方法越来越难以满足高性能芯片的冷却需求,提高冷却效率和开发新的冷却技术已成为至关重要的问题。许多用于冷却高热通量芯片的技术是基于相变传热,因此,这些冷却装置的性能在很大程度上取决于用于液体快速扩散和蒸发的毛细材料。首先,本文采用飞秒激光微纳制造技术在硅材料上创建了两种新型的毛细管表面结构。第一种表面结构是二维微柱阵列,其高度为60μm,周期为90μm。一方面,该毛细管表面结构能使液体各向同性扩散(即向四周均匀扩散);另一方面,使黑硅具有高吸收光学特性,能通过热辐射增强冷却效果。创建的第二种毛细管表面结构是深度为50μm,周期为100μm的一维平行微槽阵列。具有二维微柱阵列表面结构的材料有比较好的润湿性能和光学特性,与未加工硅材料相比,此材料的光吸收性能显著增强,特别是在200-1100 nm波长范围能达到约94%的吸收率。由于高吸收率,激光处理过的样品呈现黑色。具有两种不同表面结构的硅材料的水接触角均接近0°,说明这两种材料都具有超亲水性能。对于芯片冷却装置,毛细管表面材料的表面液体扩散动力学和蒸发功能是需要重点研究的两个主要性能。为了研究硅材料的这两个性能,本文使用高速相机研究了在各种温度下液体在材料表面扩散和蒸发随时间的变化规律。室温下的实验结果显示出h?t2,h?t,h?t1/2,h?t1/3和其他毛细管流动阶段,其中h为液体扩散距离,t为时间。但是,对于所研究的两种硅材料,这些阶段的时间尺度是不同的。本文还发现液体流动的前沿出现了分层现象,包括前驱层和主体层。在平行微槽阵列和微柱阵列上,液体扩散的最大速度分别为37 cm/s和16 cm/s。当材料的表面温度上升时,液体迅速扩散到整个表面,然后迅速蒸发,液体蒸发带走了材料表面的大量热量,使得表面温度下降。通过比较分析不同温度的实验数据,本文发现随着温度的升高,所创建材料的毛细作用力会增加(即扩散距离也会增加)。本文所制备的材料在18个月的研究期间内保持了良好的超亲水性能和蒸发功能。综上所述,本文所制备的硅材料对于解决具有高热通量的集成电路的冷却问题有着重要意义。