De fremragende varmeafledningsegenskaber af lagdelte halvledere afsløret ned til ét lag

En undersøgelse offentliggjort i Advanced Materials afslører de termiske transportegenskaber af ultratynde krystaller af molybdændiselenid, et todimensionelt materiale fra overgangsmetal-dichalcogenid-familien (TMD). TMD-materialer, der klarer sig bedre end silicium, viser sig at være fremragende kandidater til elektroniske og optoelektroniske applikationer, såsom fleksible og bærbare enheder. Denne forskning, som involverede forskere fra fire ICN2-grupper og fra ICFO (Barcelona), Utrecht University (Holland), University of Liège (Belgien) og Weizmann Institute of Science (Israel), blev koordineret af ICN2 gruppeleder Dr. Klaas-Jan Tielrooij.

Den stigende efterspørgsel efter ekstremt små komponenter og enheder har fået forskere til at søge efter nye materialer, der bedst kan opfylde disse behov. Todimensionelle lagdelte materialer (2D-materialer) – som kan være så tynde som et eller nogle få atomlag og kun er stærkt bundet i in-plan-retningen – har tiltrukket sig opmærksomhed fra både den akademiske verden og industrien og holder ikke op med at forbløffe med deres ejendommelige og bemærkelsesværdige egenskaber. Blandt dem er overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er) lovende til en række elektroniske, optoelektroniske og fotoniske applikationer.

Når det kommer til integration og miniaturisering af enheder, er et vigtigt aspekt at tage højde for materialernes termiske transportegenskaber:I de fleste applikationer er overophedning en afgørende faktor, der begrænser ydeevne og levetid. For at drage fordel af de elektroniske og optiske egenskaber ved TMD'er kræves derfor en dyb forståelse og kontrol af varmestrømmen i disse materialer. Især at forstå virkningerne af krystaltykkelse - ned til kun ét lag - og miljøet på termisk transport er nøglen til applikationer.

Indflydelse af krystaltykkelse på termiske spredningsegenskaber

En kombineret eksperimentel og teoretisk undersøgelse for nylig offentliggjort i Advanced Materials undersøger den termiske ledningsevne af molybdændiselenid (MoSe₂ ), som er et arketypisk TMD-materiale.

David Saleta Reig, Ph.D. studerende og førsteforfatter til værket, siger:"Vi udførte en systematisk undersøgelse af virkningerne af krystaltykkelse og omgivende miljø på varmestrømmen. Dette udfylder et vigtigt hul i den videnskabelige litteratur om 2D-materialer." Det er faktisk ikke en let opgave at udføre enten pålidelige eksperimentelle undersøgelser eller computersimuleringer af termisk transport over en bred vifte af tykkelser fra bulk ned til et enkelt molekylært monolag. Forfatterne til denne forskning var i stand til at overvinde disse udfordringer og producere protokoller og resultater, der ikke kun er gyldige for casestudiet, MoSe₂ , men også for et bredere udvalg af 2D-materialer.

Ultrathin MoSe₂ transporterer varme hurtigere end ultratyndt silicium

De eksperimentelle målinger, i kombination med numeriske simuleringer, førte til et bemærkelsesværdigt resultat:"Vi fandt ud af, at den termiske ledningsevne i planet af prøverne kun falder marginalt, når krystallens tykkelse reduceres helt til et monolag med sub-nanometer tykkelse ," forklarer Sebin Varghese, ph.d. studerende og anden forfatter til undersøgelsen. Denne adfærd stammer fra den lagdelte natur af MoSe₂ og adskiller TMD-materialer fra ikke-lagdelte halvledere, såsom industristandarden silicium. I sidstnævnte falder den termiske ledningsevne dramatisk, når tykkelsen nærmer sig nanometeret, på grund af øget spredning ved overfladen. Denne effekt er meget mindre signifikant i lagdelte materialer, såsom MoSe₂ .

Termiske transportsimuleringer af første princip reproducerede de eksperimentelle resultater på en fremragende måde og førte til endnu et overraskende resultat:"For de tyndeste film bliver varmen båret af andre fonontilstande end for tykkere," siger Dr. Roberta Farris, postdoc-forsker, der udviklet og udført ab initio simuleringerne. Endelig afklarer denne undersøgelse også materialets miljøs indflydelse på varmeafledning, hvilket viser, at ultratynd MoSe₂ er i stand til at sprede varme meget effektivt til omgivende luftmolekyler.

Dr. Klaas-Jan Tielrooij, som koordinerede arbejdet, siger:"Dette arbejde viser, at TMD-krystaller med (sub)nanometertykkelse har potentialet til at udkonkurrere siliciumfilm både med hensyn til elektrisk og termisk ledningsevne i denne ultratynde grænse." Disse resultater demonstrerer således de fremragende udsigter for TMD'er til applikationer, der kræver tykkelser i størrelsesordenen nogle få nanometer eller mindre, for eksempel i tilfælde af fleksible og bærbare enheder og elektroniske komponenter i nanoskala. "Det er selvfølgelig stadig at se, om TMD'er vil leve op til deres løfter," slutter Dr. Tielrooij, "da der er mange forhindringer at overvinde, før disse materialer vil blive anvendt i industriel skala. I det mindste ved vi nu, at deres termiske egenskaber er - i princippet - ikke en show-stopper."

Forfatterne af denne undersøgelse brugte Raman-termometriteknikken til at måle den termiske ledningsevne af et stort sæt suspenderet, krystallinsk og ren MoSe₂ krystaller med systematisk varieret tykkelse, der sørger for at identificere og undertrykke mulige tykkelsesafhængige artefakter. De sammenlignede de eksperimentelle resultater med ab initio-simuleringer – baseret på tæthedsfunktionsteori og Boltzmann-transportteori – udført med SIESTA-metoden og software, som er særligt velegnet til atomistiske simuleringer med et stort antal atomer. + Udforsk yderligere

Overgangsmetal dichalcogenider bliver svagere, når tykkelsen falder