跨越非均勻分層的二維材料的超高熱隔離

異質(zhì)納米材料現(xiàn)在可以促進先進的電子學(xué)和光子學(xué)應(yīng)用，但是由于相對較短的熱載體波長(稱為聲子)，這種進步對于熱應(yīng)用是具有挑戰(zhàn)性的。在一項新的研究中，現(xiàn)在發(fā)表在Science Advances，Sam Vaziri和Theiss Research的同事以及美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的電氣工程，材料科學(xué)與工程系以及Precourt能源研究所斯坦福大學(xué)，加利福尼亞州斯坦福大學(xué)，在超薄異質(zhì)結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出異常高的熱隔離。

他們通過分層原子級薄的二維(2-D)材料形成單層石墨烯(Gr)，二硫化鉬(MoS 2)的人造堆疊來實現(xiàn)這一目標。和二硒化鎢(WSe 2)，其耐熱性大于二氧化硅(SiO 2)。在室溫下，有效導(dǎo)熱系數(shù)低于空氣。利用拉曼測溫技術(shù)，科學(xué)家們同時確定了堆疊中任何二維單層膜之間的熱阻，以形成熱超材料，作為新興聲學(xué)領(lǐng)域的例子。Vaziri等人。提出超材料在超薄絕熱，熱能收集和超緊湊幾何形狀內(nèi)的熱量傳遞中的應(yīng)用。

先進的電子和光子器件，如高電子遷移率晶體管，量子級聯(lián)激光器和光子帶隙晶體利用的費米性質(zhì)電壓門控或禁閉期間的電荷載體。然后他們在干擾期間利用長光子波長。然而，盡管現(xiàn)有對熱管理應(yīng)用的需求，但熱納米工程和新興的聲學(xué)領(lǐng)域僅提供了一些例子。這種差異是由固體中的熱載荷振動的短波長引起的，其中玻色子性質(zhì)聲子也可能有助于積極控制固體中的熱傳輸，而不能像電荷載體那樣進行電壓門控。

物理學(xué)家先前曾嘗試使用非層壓薄膜和超晶格來操縱固體的熱性質(zhì)，以降低組成材料以下的導(dǎo)熱性，最終通過結(jié)構(gòu)無序和高界面密度實現(xiàn)熱操作，從而引入額外的熱阻。由于強聲子邊界散射，他們在納米工程硅和鍺納米線中發(fā)現(xiàn)異常低的導(dǎo)熱率，并通過降低的聲子散射在同位素純材料如金剛石，石墨烯和砷化硼中獲得大的熱導(dǎo)率。

因此，二維(2-D)材料實現(xiàn)了具有亞納米薄單單層的新前沿，以控制原子長度尺度下的器件行為?，F(xiàn)有示例包括具有高效率的新隧穿場效應(yīng)晶體管和超薄光伏器件。在目前的工作中，Vaziri等人。使用范德瓦爾斯(vdW)組裝的原子級薄2-D層，以在異質(zhì)結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)異常高的熱阻。它們顯示出相當于300nm厚的SiO 2的熱阻穿過亞2納米薄的vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有干凈，無殘留的界面。通過將具有不同原子密度和振動模式的異質(zhì)2-D單層分層，研究團隊展示了在原子尺度上定制熱性質(zhì)的潛力; 在聲子波長的量級上。具有不尋常特性的新型聲子超材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)在自然界中并不常見。目前的工作代表了二維材料的獨特應(yīng)用及其弱的vdW相互作用，用于組裝以阻擋或引導(dǎo)熱流。

研究小組在SiO 2 / Si襯底上獲得了在MoSe 2(二硒化鉬)，MoS 2(二硫化鉬)和WSe 2(鎢二硒化物)上的石墨烯(Gr)的四層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的橫截面。使用拉曼激光，他們同時以單層精度探測堆疊中的各個層。研究小組分別使用化學(xué)氣相沉積法生長二維單層材料并將其轉(zhuǎn)移以避免聚合物和其他殘留物。為了證實異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)，熱學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，Vaziri等人。使用廣泛的材料表征技術(shù)，包括掃描透射電子顯微鏡(STEM)，光致發(fā)光(PL)光譜，開爾文探針顯微鏡(KLM)和掃描熱顯微鏡(SThM)以及拉曼光譜和測溫。利用這些技術(shù)，他們揭示了堆疊中每個2-D材料單層和Si襯底的特征。研究小組使用多個STEM圖像顯示原子密切的vdW間隙，沒有污染物，允許他們觀察異質(zhì)結(jié)構(gòu)的總厚度。然后，他們使用PL光譜確認了大表面區(qū)域的層間耦合。

為了測量垂直于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子平面的熱流，Vaziri等人。以四探針電子設(shè)備的形狀圖案化堆疊。他們使用電加熱來精確量化輸入功率，并確認頂部石墨烯層上的電流傳導(dǎo)和加熱比MoS 2和WSe 2大幾個數(shù)量級。為了證明這些器件的表面溫度均勻性，他們使用KPM和SThM表面表征方法，然后使用拉曼光譜法量化每個單獨層的溫度。隨著石墨烯熱功率(P)在系統(tǒng)中上升，每層的溫度在Gr / MoS 2 / WSe 2中增加異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)置。由于均勻加熱，研究人員可以輕松分析從下到上的熱阻。拉曼和SThM的兩種測溫方法之間的良好一致性驗證了在設(shè)置中獲得的值。

科學(xué)家分析了導(dǎo)致垂直于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非常大的熱阻的層之間的熱邊界電阻(TBR)。該研究中的熱邊界電導(dǎo)(TBC)測量首先針對2-D / 2-D單層之間的原子緊密界面，并形成WSe 2和SiO 2單層之間的第一個報道的TBC 。他們表明，獲得的Gr / SiO 2和MOSe 2 / SiO 2界面的TBC 與先前的研究一致，而單層WSe 2 / SiO 2界面的TBC 相對較低由于可用于單層傳輸?shù)南鄬^少的彎曲聲子模式，這并不出乎意料。根據(jù)結(jié)果??，2-D / 2-D界面的TBC低于具有3-D SiO 2襯底的TBC 。工作中記錄的最低TBC屬于Gr / WSe 2，研究小組使用Landauer公式解釋了觀察結(jié)果。研究小組利用聲學(xué)失配模型(AMM)作為兩種材料的質(zhì)量密度比，在界面處獲得了聲子傳輸。研究人員利用研究中開發(fā)的界面的熱流模型捕獲了TBC趨勢。

通過這種方式，Sam Vaziri及其同事獲得了實現(xiàn)原子定制熱界面的知識，并展示了他們設(shè)計極其絕熱的超材料的潛力。新設(shè)計的超材料表現(xiàn)出前所未有的性質(zhì)。異質(zhì)結(jié)構(gòu)在新興的聲學(xué)領(lǐng)域中提供了一個例子，以在與聲子波長相當?shù)拈L度尺度上操縱固體的熱性質(zhì)。2-D層狀材料提供有前途的超輕型和緊湊型隔熱罩，可將熱量從電子設(shè)備中的熱點引出。該研究團隊設(shè)想轉(zhuǎn)換超材料以提高熱電能量收集器和熱相器等相變存儲器的功效 在將來。