Kredit:ICN2/Dámaso Torres. Kredit:Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology
En studie publicerad i Advanced Materials avslöjar de termiska transportegenskaperna hos ultratunna kristaller av molybdendiselenid, ett tvådimensionellt material i familjen övergångsmetalldikalkogenid (TMD). TMD-material, som överträffar kisel, visar sig vara enastående kandidater för elektroniska och optoelektroniska applikationer, såsom flexibla och bärbara enheter. Denna forskning, som involverade forskare som tillhörde fyra ICN2-grupper och från ICFO (Barcelona), Utrecht University (Nederländerna), University of Liège (Belgien) och Weizmann Institute of Science (Israel), koordinerades av ICN2-gruppledaren Dr. Klaas-Jan Tielrooij.
Den ökande efterfrågan på extremt små komponenter och enheter har fått forskare att leta efter nya material som bäst kan möta dessa behov. Tvådimensionella skiktade material (2D-material) – som kan vara så tunna som ett eller några få atomlager och är starkt bundna endast i riktningen i planet – har uppmärksammats av både akademi och industri och slutar inte att förvåna med sina säregna och märkliga egenskaper. Bland dem är övergångsmetalldikalkogenider (TMD) lovande för en mängd olika elektroniska, optoelektroniska och fotoniska tillämpningar.
När det gäller integrering och miniatyrisering av enheter är en nyckelaspekt att ta hänsyn till materialens termiska transportegenskaper:i de flesta applikationer är överhettning en avgörande faktor som begränsar prestanda och livslängd. Därför, för att dra fördel av de elektroniska och optiska egenskaperna hos TMD:er, krävs en djup förståelse och kontroll av värmeflödet i dessa material. Speciellt att förstå effekterna av kristalltjocklek - ner till bara ett lager - och miljön på termisk transport är nyckeln till applikationer.
Kristalltjocklekens inverkan på värmeavledningsegenskaperna
En kombinerad experimentell och teoretisk studie som nyligen publicerades i Advanced Materials undersöker den termiska konduktiviteten hos molybdendiselenid (MoSe2 ), som är ett arketypiskt TMD-material.
David Saleta Reig, Ph.D. student och första författare till arbetet, säger, "Vi genomförde en systematisk studie av effekterna av kristalltjocklek och omgivande miljö på värmeflödet. Detta fyller ett viktigt tomrum i den vetenskapliga litteraturen om 2D-material." Att utföra antingen tillförlitliga experimentella studier eller datorsimuleringar av termisk transport över ett brett spektrum av tjocklekar från bulk ner till ett enda molekylärt monolager är inte en lätt uppgift. Författarna till denna forskning kunde övervinna dessa utmaningar och producera protokoll och resultat som inte bara är giltiga för fallstudien, MoSe2 , men också för ett bredare utbud av 2D-material.
Ultrathin MoSe2 transporterar värme snabbare än ultratunt kisel
De experimentella mätningarna, i kombination med numeriska simuleringar, ledde till ett anmärkningsvärt resultat:"Vi fann att den termiska ledningsförmågan i planet för proverna minskar endast marginellt när man minskar tjockleken på kristallen hela vägen till ett monolager med sub-nanometer tjocklek ", förklarar Sebin Varghese, Ph.D. student och andra författare till studien. Detta beteende härrör från den skiktade naturen hos MoSe2 och skiljer TMD-material från icke-skiktade halvledare, såsom industristandarden, kisel. I den senare minskar värmeledningsförmågan dramatiskt när tjockleken närmar sig nanometern, på grund av ökad spridning vid ytan. Denna effekt är mycket mindre signifikant i skiktade material, som MoSe2 .
Termiska transportsimuleringar av första principer återskapade experimentresultaten på ett utmärkt sätt och ledde till ytterligare ett överraskande resultat:"För de tunnaste filmerna bärs värmen av andra fononlägen än för tjockare", säger Dr Roberta Farris, postdoktor som utvecklat och genomfört ab initio simuleringarna. Slutligen klargör denna studie också inverkan av materialets miljö på värmeavledning, vilket visar att ultratunn MoSe2 kan avleda värme mycket effektivt till omgivande luftmolekyler.
Dr. Klaas-Jan Tielrooij, som koordinerade arbetet, säger:"Detta arbete visar att TMD-kristaller med (sub)nanometertjocklek har potential att överträffa kiselfilmer både vad gäller elektrisk och termisk ledningsförmåga i denna ultratunna gräns." Dessa resultat visar således de utmärkta utsikterna för TMD:er för tillämpningar som kräver tjocklekar i storleksordningen några nanometer eller mindre, till exempel när det gäller flexibla och bärbara enheter och elektroniska komponenter i nanoskala. "Naturligtvis återstår det att se om TMD:er kommer att leva upp till sina löften", avslutar Dr. Tielrooij, "eftersom det finns många hinder att övervinna innan dessa material kommer att användas i industriell skala. Nu vet vi åtminstone att deras termiska Egenskaper är i princip inte en häpnadsväckande effekt."
Författarna till denna studie använde Raman-termometritekniken för att mäta värmeledningsförmågan hos en stor uppsättning suspenderade, kristallina och rena MoSe2 kristaller med systematiskt varierad tjocklek, var noga med att identifiera och undertrycka möjliga tjockleksberoende artefakter. De jämförde de experimentella resultaten med ab initio-simuleringar – baserade på densitetsfunktionsteori och Boltzmanns transportteori – utförda med SIESTA-metoden och mjukvara, som är särskilt lämplig för atomistiska simuleringar med ett stort antal atomer. + Utforska vidare
