层状半导体的优异散热性能显示在一层

发表在AdvancedMaterials上的一项研究揭示了二硒化钼超薄晶体的热传输特性，二硒化钼是一种过渡金属二硫化物(TMD)家族的二维材料。TMD材料的性能优于硅，被证明是电子和光电应用(例如柔性和可穿戴设备)的出色候选材料。这项研究涉及四个ICN2小组以及来自ICFO(巴塞罗那)、乌得勒支大学(荷兰)、列日大学(比利时)和魏茨曼科学研究所(以色列)的研究人员，由ICN2小组组长Dr.克拉斯-扬·蒂尔鲁伊。

对极小组件和设备的需求不断增长，这促使科学家们寻找最能满足这些需求的新材料。二维层状材料(2D材料)——可以薄至一个或几个原子层，并且仅在面内方向上牢固结合——已经引起了学术界和工业界的关注，并不断令人惊叹以其独特而显着的特性。其中，过渡金属二硫属化物(TMDs)有望用于各种电子、光电和光子应用。

在设备的集成和小型化方面，需要考虑的一个关键方面是材料的热传输特性：在大多数应用中，过热是限制性能和寿命的关键因素。因此，为了利用TMD的电子和光学特性，需要深入了解和控制这些材料中的热流。特别是，了解晶体厚度(低至一层)和环境对热传输的影响是应用的关键。

晶体厚度对散热性能的影响

最近发表在AdvancedMaterials上的一项实验和理论相结合的研究调查了典型TMD材料二硒化钼(MoSe2)的热导率。

DavidSaletaReig博士学生和该工作的第一作者说：“我们对晶体厚度和周围环境对热流的影响进行了系统研究。这填补了有关二维材料的科学文献中的一个重要空白。”事实上，在从块体到单个分子单层的广泛厚度范围内对热传输进行可靠的实验研究或计算机模拟并非易事。这项研究的作者能够克服这些挑战，并产生不仅适用于案例研究MoSe2，而且适用于更广泛的二维材料的协议和结果。

实验测量与数值模拟相结合，得出了一个显着的结果：“我们发现，当晶体的厚度一直降低到亚纳米厚度的单层时，样品的面内热导率仅略微降低，”SebinVarghese博士解释说。学生和该研究的第二作者。这种行为源于MoSe2的层状特性，并将TMD材料与非层状半导体(如工业标准硅)区分开来。在后者中，当厚度接近纳米时，由于表面散射增加，热导率显着降低。这种效应在层状材料(例如MoSe2)中不太显着。

第一原理热传输模拟以极好的方式再现了实验结果，并导致了另一个令人惊讶的结果：“对于最薄的薄膜，与较厚的薄膜相比，热量由不同的声子模式携带，”博士后研究员RobertaFarris博士说。开发并进行了从头算模拟。最后，这项研究还阐明了材料环境对散热的影响，表明超薄MoSe2能够非常有效地将热量散发到周围的空气分子中。

协调这项工作的Klaas-JanTielrooij博士说：“这项工作表明，具有(亚)纳米厚度的TMD晶体在这个超薄极限内的电导率和热导率方面都有可能超过硅薄膜。”因此，这些结果证明了TMD在需要几纳米或更小的厚度的应用中具有良好的前景，例如在柔性和可穿戴设备和纳米级电子元件的情况下。“当然，TMD能否兑现承诺还有待观察，”Tielrooij博士总结道，“因为在将这些材料应用于工业规模之前，还有许多障碍需要克服。至少我们现在知道，它们的热属性——原则上——不是一个炫耀的东西。”

本研究的作者使用拉曼测温技术来测量大量具有系统变化的厚度的悬浮、结晶和清洁的MoSe2晶体的热导率，注意识别和抑制可能的厚度相关伪影。他们将实验结果与使用SIESTA方法和软件执行的从头算模拟(基于密度泛函理论和玻尔兹曼输运理论)进行了比较，这特别适用于具有大量原子的原子模拟。

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