Heterogena nanomaterial kan nu underlätta avancerade elektronik- och fotoniktillämpningar, men sådana framsteg är utmanande för termiska tillämpningar på grund av de jämförelsevis kortare våglängderna hos värmebärare (kända som fononer). I en ny studie, nu publicerad på Vetenskapens framsteg , Sam Vaziri och medarbetare på Theiss Research och avdelningarna för elektroteknik, Materialvetenskap och teknik vid National Institute of Standards and Technology (NIST), och Precourt Institute of Energy vid Stanford University, Stanford Kalifornien, visade ovanligt hög termisk isolering över ultratunna heterostrukturer.

De uppnådde detta genom att skikta atomärt tunna, tvådimensionella (2-D) material för att bilda konstgjorda staplar av monolager grafen (Gr), molybdendisulfid (MoS ₂ ) och volframdiselenid (WSe ₂ ), med termiskt motstånd större än kiseldioxid (SiO ₂ ). Förutom effektiv värmeledningsförmåga lägre än luft vid rumstemperatur. Använder Raman termometri, forskarna identifierade samtidigt den termiska resistansen mellan alla 2-D-monoskikt i stapeln för att bilda termiska metamaterial som exempel inom det framväxande fältet av fononik. Vaziri et al. föreslå tillämpningar av metamaterialen i ultratunn värmeisolering, värmeenergiskörd och att leda värme inom ultrakompakta geometrier.

Avancerade elektroniska och fotoniska enheter som transistorer med hög elektronrörlighet, kvantkaskadlasrar och fotoniska bandgapkristaller drar fördel av den fermioniska naturen hos laddningsbärare under spänningsstyrning eller inneslutning. Sedan använder de långa fotonvåglängder under sin interferens. Ändå, termisk nanoteknik och det framväxande fältet fononik ger bara några exempel, trots den befintliga efterfrågan på värmehanteringsapplikationer. Denna diskrepans beror på de korta våglängderna av värmebärande vibrationer i fasta ämnen, där fononernas bosoniska natur också kan bidra till utmaningen att aktivt kontrollera värmetransporten i fasta ämnen där den inte kan spänningsstyras som laddningsbärare.

Fysiker hade tidigare försökt att manipulera de termiska egenskaperna hos fasta ämnen med hjälp av icke-laminatfilmer och supergitter för att minska värmeledningsförmågan under de ingående materialen för att slutligen uppnå termisk manipulation via strukturell störning och hög gränssnittstäthet för att introducera ytterligare värmemotstånd. De fann ovanligt låg värmeledningsförmåga i nanotrådar av kisel och germanium på grund av stark fonongränsspridning och uppnådde stora värmeledningsförmåga i isotopiskt rena material som diamant, grafen och borarsenid via reducerad fononspridning.

Tvådimensionella (2-D) material har därmed möjliggjort en ny gräns med subnanometer tunna, enkla monolager för att kontrollera enhetens beteende vid atomlängdskalor. Existerande exempel inkluderar nya tunneldrivande fälteffekttransistorer och ultratunna solceller med hög effektivitet. I detta arbete, Vaziri et al. använde van der Waals (vdW) sammansättning av atomärt tunna 2-D-lager för att uppnå ovanligt högt termiskt motstånd över heterostrukturer. De visade ett termiskt motstånd motsvarande 300 nm tjock SiO ₂ över sub-2 nm-tunna vdW-heterostrukturer med rena, restfria gränssnitt. Genom att skikta heterogena 2-D monolager med olika atomdensiteter och vibrationslägen visade forskargruppen potentialen att skräddarsy termiska egenskaper i atomär skala; i storleksordningen av fononvåglängden. Den strukturella grunden för de nya fononiska metamaterialen med ovanliga egenskaper är inte vanligt förekommande i naturen. Föreliggande arbete representerar unika tillämpningar av 2D-material och deras svaga vdW-interaktioner för montering för att blockera eller styra värmeflödet.

Forskargruppen fick ett tvärsnitt av en heterostruktur med fyra lager med grafen (Gr) på MoSe ₂ (molybdendiselenid), MoS ₂ (molybdendisulfid) och WSe ₂ (volframdiselenid) på en SiO ₂ /Si-substrat. Med hjälp av en Raman-laser, de undersökte samtidigt de enskilda lagren i stapeln med enskiktsnoggrannhet. Forskargruppen odlade separat 2D-enskiktsmaterialen med hjälp av kemisk ångavsättning och överförde dem för att undvika polymerrester och andra rester. För att bekräfta mikrostrukturen, heterostrukturernas termiska och elektriska egenskaper, Vaziri et al. använde omfattande materialkarakteriseringstekniker, inklusive sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM), fotoluminescens (PL) spektroskopi, Kelvin-sondmikroskopi (KLM) och scanning termisk mikroskopi (SThM) tillsammans med Raman-spektroskopi och termometri. Med hjälp av teknikerna, de avslöjade signaturen för varje 2D-materialmonoskikt i stapeln och för Si-substratet. Använda flera STEM-bilder, forskargruppen avslöjade atomärt intima vdW-luckor utan föroreningar, så att de kan observera den totala tjockleken av heterostrukturerna. De bekräftade sedan mellanskiktskoppling över stora ytareor med hjälp av PL-spektroskopi.

För att mäta värmeflöde vinkelrätt mot heterostrukturens atomplan, Vaziri et al. mönstrade staplarna i form av elektriska apparater med fyra sönder. De använde elektrisk uppvärmning för att exakt kvantifiera ineffekten och bekräftade att strömledningen och uppvärmningen på det översta grafenskiktet var storleksordningar större än för MoS ₂ och WSe ₂ . För att demonstrera yttemperaturens enhetlighet för dessa enheter använde de KPM- och SThM-ytkarakteriseringsmetoder och kvantifierade sedan temperaturen för varje enskilt lager med hjälp av Raman-spektroskopi. Som grafen värmekraft ( P ) rampade upp i systemet, temperaturen för varje lager ökade i en Gr/MoS ₂ /WSe ₂ heterostrukturinställning. På grund av enhetlig uppvärmning analyserade forskarna enkelt de termiska resistanserna från botten till toppen. Den utmärkta överensstämmelsen mellan de två termometrimetoderna Raman och SThM validerade värdena som erhölls i uppställningen.

Forskarna analyserade den termiska gränsresistansen (TBR) mellan skikten som är ansvariga för den mycket stora termiska resistansen vinkelrätt mot heterostrukturerna. Mätningarna av termisk gränskonduktans (TBC) i studien var en första för atomärt intima gränssnitt mellan 2-D/2-D monolager och bildade den första rapporterade TBC mellan WSe ₂ och SiO ₂ monolager _. De visade att TBC erhållits för Gr/SiO ₂ och MOSe ₂ /SiO ₂ gränssnitt överenskomna med tidigare studier, medan TBC för monoskiktet WSe ₂ /SiO ₂ gränssnittet var jämförelsevis lägre, vilket inte var oväntat på grund av de jämförelsevis färre böjliga fononlägen tillgängliga för överföring i monoskiktet. Enligt resultaten, TBC för ett 2-D/2-D-gränssnitt var lägre än TBC med ett 3-D SiO ₂ substrat. Den lägsta TBC som registrerats i verket tillhörde Gr/WSe ₂ och forskargruppen förklarade observationerna med hjälp av Landauer-formeln. Forskargruppen erhöll fononöverföringen vid gränssnittet med hjälp av den akustiska missanpassningsmodellen (AMM) som förhållandet mellan massdensiteten för de två materialen. Forskarna fångade TBC-trender med en enkel modell av värmeflöde över de gränssnitt som utvecklats i studien.

På det här sättet, Sam Vaziri och hans medarbetare fick kunskap för att realisera atomiskt skräddarsydda termiska gränssnitt och visade sin potential att konstruera extremt termiskt isolerande metamaterial. De nykonstruerade metamaterialen visade egenskaper som saknar motstycke i naturen. Heterostrukturerna ger ett exempel i de framväxande fälten för fononik för att manipulera de termiska egenskaperna hos fasta ämnen på längdskalor jämförbara med fononvåglängder. De 2D-skiktade materialen erbjuder lovande, ultralätta och kompakta värmesköldar för att styra bort värme från hotspots inom elektronik. Forskargruppen föreställer sig att översätta metamaterialen för att förbättra effektiviteten hos termoelektriska energiskördare och termiskt aktiva enheter som fasförändringsminnen i framtiden.

© 2019 Science X Network