Forskare från Tokyo Metropolitan University har hittat nya sätt att kontrollera hur värme strömmar genom tunna material genom att stapla atomärt tunna lager av atomer i van der Waals heterostrukturer. Genom att jämföra olika staplar av olika material, eller till och med samma material efter värmebehandling, fann de att svag koppling och oöverensstämmelse mellan skikten bidrog till att avsevärt minska värmetransporten. Deras upptäckt lovar känslig kontroll av värmeflödet på nanoskala i termoelektriska enheter.

Värme finns överallt och den flödar. Värme på fel ställen kan också vara skadligt. Exempel inkluderar överhettning av elektronik, eftersom mikrochips producerar mer värme än vad de kan flytta bort medan de utför intensiva beräkningsuppgifter. Detta kan skada eller allvarligt minska livslängden för elektroniska enheter, vilket gör kontroll av värmeflödet på nanoskala till ett akut problem för det moderna samhället.

Ett team ledd av professor Kazuhiro Yanagi från Tokyo Metropolitan University har arbetat på sätt att producera och hantera ultratunna lager av en klass av material som kallas övergångsmetalldikalkogenider. Här tog de lager av molybdendisulfid och molybdendiselenid en enda atom tjock och staplade ihop dem till lager om fyra (4L filmer). Skikten kan kopplas ihop på olika sätt. Teamets unika, skonsamma sätt att överföra stora enstaka tunna ark tillät dem att skapa staplar av lager bundna samman av van der Waals krafter. De kan också vara starkt bundna av mer konventionella tekniker, särskilt kemisk ångdeposition (CVD). Detta ger upphov till ett antal permutationer för hur isolerade lager skulle kunna sättas samman, och potentiellt styra hur värme kommer igenom dem.

Genom att använda en speciell beläggningsteknik kunde de upptäcka hur små mängder värme strömmade förbi dessa staplar med ganska god noggrannhet. För det första fann de att lager starkt bundna av CVD släppte igenom betydligt mer värme än deras löst bundna motsvarigheter. Denna effekt kan delvis vändas genom glödgning av svagt hållna skikt, vilket gör bindningen starkare och förbättrar värmetransporten. Dessutom jämförde de staplar av fyra molybdensulfidlager med en "lasagne"-liknande struktur gjord av omväxlande lager av molybdensulfid och molybdenselenid. Sådana heterostrukturer hade en konstgjord strukturell oöverensstämmelse mellan intilliggande lager av atomer vilket ledde till betydligt lägre nivåer av värmeöverföring, mer än 10 gånger mindre än med starkt bundna lager.

Teamets resultat visar inte bara på en ny teknisk utveckling utan ger generella designregler för hur man kan kontrollera hur värme strömmar på nanoskala, oavsett om man vill ha mer eller mindre flöde. Dessa insikter kommer att leda till utvecklingen av ultratunna, ultralätta isolatorer såväl som nya termoelektriska material, där värme effektivt kan kanaliseras för omvandling till elektricitet. + Utforska vidare

Ovanligt material kan förbättra tillförlitligheten hos elektronik och andra enheter