清華新聞網(wǎng)2月28日電 近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院張興教授、馬維剛教授團(tuán)隊(duì)在二維范德華異質(zhì)結(jié)界面熱輸運(yùn)研究領(lǐng)域取得重要突破。在后摩爾時(shí)代的電子器件中，范德華異質(zhì)結(jié)因其可設(shè)計(jì)的能帶結(jié)構(gòu)和優(yōu)異電學(xué)特性而成為新型集成電路的重要候選。然而，不同材料之間的聲子失配導(dǎo)致界面熱導(dǎo)普遍較低（通常約10MW m-2K-1量級(jí)），嚴(yán)重制約器件的散熱性能和可靠性。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員普遍認(rèn)為，在同質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入層間轉(zhuǎn)角會(huì)破壞晶格的對(duì)稱(chēng)性，增強(qiáng)無(wú)序散射，從而降低界面熱導(dǎo)?；谶@一共識(shí)，“扭轉(zhuǎn)”通常被視為抑制熱輸運(yùn)的因素。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建具有不同扭轉(zhuǎn)角的MoS2/WS2雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)角異質(zhì)界面體系中觀(guān)察到了反常的導(dǎo)熱增強(qiáng)現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)角從0°增加至38°時(shí)，界面熱導(dǎo)由12.1±1.6 MW m-2K-1提升至30.2±4.3MWm-2K-1，實(shí)現(xiàn)約2.5倍的大幅增強(qiáng)，該結(jié)果打破了長(zhǎng)期以來(lái)“扭轉(zhuǎn)削弱界面導(dǎo)熱”的傳統(tǒng)認(rèn)知，為新一代芯片熱管理提供了新思路。
基于開(kāi)發(fā)的大面積普適轉(zhuǎn)移方法，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了MoS2/WS2雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備，避免了傳統(tǒng)濕法轉(zhuǎn)移過(guò)程中水汽夾雜與界面起皺問(wèn)題，有效提升了界面平整度和晶體完整性。通過(guò)控制兩片單晶三角形的相對(duì)取向，可精確獲得0°-60°范圍內(nèi)不同層間扭轉(zhuǎn)角的異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)。多尺度結(jié)構(gòu)表征結(jié)果共同驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)所制備的MoS2/WS2扭轉(zhuǎn)異質(zhì)雙層具有高質(zhì)量原子級(jí)潔凈界面與可控扭轉(zhuǎn)角，為界面熱輸運(yùn)機(jī)制研究提供了可靠的材料基礎(chǔ)。
圖1.不同轉(zhuǎn)角異質(zhì)雙層MoS2/WS2結(jié)構(gòu)的制備與表征
針對(duì)二維材料界面熱導(dǎo)的空間非均勻性難題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了高通量時(shí)域熱反射（TDTR）Mapping技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了界面熱阻的空間統(tǒng)計(jì)測(cè)量，并結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，顯著提升了數(shù)據(jù)處理效率。該方法將傳統(tǒng)點(diǎn)測(cè)量擴(kuò)展為二維分布成像，使界面熱導(dǎo)的角度依賴(lài)測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確和可靠。
圖2.TDTR Mapping技術(shù)及界面熱導(dǎo)隨轉(zhuǎn)角的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果
進(jìn)一步的模態(tài)溫度分解與頻譜熱流分析揭示，在MoS2/WS2異質(zhì)界面中，熱輸運(yùn)本質(zhì)上由非彈性聲子散射主導(dǎo)。扭轉(zhuǎn)角的引入重構(gòu)了界面處的非平衡聲子溫度分布，使高頻光學(xué)聲子能夠通過(guò)頻率下轉(zhuǎn)換有效激發(fā)對(duì)側(cè)的聲學(xué)聲子，從而打開(kāi)更多跨界面?zhèn)鳠嵬ǖ?。研究表明，在未扭轉(zhuǎn)界面中，非彈性散射已占總熱導(dǎo)的55%；而在21.8°轉(zhuǎn)角下，其貢獻(xiàn)提高至70%，且非彈性部分的提升幅度遠(yuǎn)高于彈性部分。這一發(fā)現(xiàn)揭示了界面導(dǎo)熱異常增強(qiáng)的內(nèi)在機(jī)理，并進(jìn)一步統(tǒng)一了扭轉(zhuǎn)對(duì)同質(zhì)與異質(zhì)界面導(dǎo)熱行為的調(diào)控規(guī)律：扭轉(zhuǎn)均會(huì)增強(qiáng)界面非彈性聲子散射，但在同質(zhì)界面中熱輸運(yùn)以彈性散射為主，非彈性增強(qiáng)反而引入額外熱阻；而在異質(zhì)界面中原本即由非彈性散射主導(dǎo)，扭轉(zhuǎn)進(jìn)一步放大該機(jī)制，從而導(dǎo)致了界面熱導(dǎo)的提升。
圖3.扭轉(zhuǎn)增強(qiáng)異質(zhì)界面導(dǎo)熱的機(jī)理分析
更為重要的是，該研究構(gòu)建了界面熱導(dǎo)的“微擾增強(qiáng)理論”：在以非彈性散射為主導(dǎo)的異質(zhì)界面中，引入界面微擾（如扭轉(zhuǎn)、滑移或波紋調(diào)制）可重構(gòu)界面聲子能量分布，激活更多跨界面?zhèn)鳠嵬ǖ?，從而?shí)現(xiàn)界面熱導(dǎo)的可控提升。該理論為二維材料體系的界面熱調(diào)控提供了全新的物理圖像，為高功率密度芯片的熱管理開(kāi)辟了新的技術(shù)路徑，也為新一代高集成度電子器件的熱優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
圖4.扭轉(zhuǎn)對(duì)同質(zhì)和異質(zhì)界面導(dǎo)熱的對(duì)比
研究成果以“扭轉(zhuǎn)范德華異質(zhì)界面導(dǎo)熱的反常增強(qiáng)”（Anomalous enhancement of thermal conduction across twisted van der Waals heterointerfaces）為題，于2月26日發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士后張宇峰和2019級(jí)博士生杜彥征為論文共同第一作者，清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授張興、馬維剛為論文通訊作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士后萬(wàn)驍和安盟（現(xiàn)為北京理工大學(xué)研究員）等為論文作出了重要貢獻(xiàn)。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金及清華大學(xué)“水木學(xué)者”計(jì)劃等的支持。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2531049123
供稿：航院
編輯：李華山
審核：郭玲
