二维材料，又发Nature！

原创 LHSRYY 研之成理

▲第一作者：Shi En Kim

通讯作者：Paul Erhart、David G. Cahill、Jiwoong Park

通讯单位：美国芝加哥大学、瑞典查尔姆斯理工大学、美国伊利诺伊大学香槟分校

DOI: 10.1038/s41586-021-03867-8

背景介绍

集成电路的致密化需要热管理体系和高导热材料。最近的研究成果主要包括热传导各向异性材料的开发，它可以沿快轴方向消除热点，并沿慢轴提供隔热。然而，大多数人工设计的热导体具有比自然各向异性材料小得多的各向异性比。为了设计出同样适用于实际应用的ρ值更高的材料，需要开发一种包括三个关键特征的方法：(1)具有本质上高κ_f的候选材料，通常具有有效的声子介导的热传输；(2)在不影响κ_f的情况下大量减少κ_s；(3)这种材料的简易、可扩展生产和集成，对材料尺寸进行精确控制。层状范德华(vdW)材料如石墨和过渡金属硫化物(TMDs)为设计此类高ρ材料提供了理想的材料平台。它们一般以单晶形式具有优良的本征面内热导率(κ_||)。先前的研究还测量了纳米晶vdW薄膜(例如WSe₂)和异质结构的记录低热导率。然而，目前缺失的一种能力是在保持高κ_||的同时显著降低面外热导率(κ_⊥)的方法。

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本文亮点

1. 本工作报道了基于具有随机层间旋转的大面积范德华薄膜的极各向异性热导体，它在MoS₂中产生了接近900的室温热各向异性比，是迄今为止报道的最高之一。这是由于层间旋转阻碍了穿过平面的热传输，而层内的长程结晶度保持了较高的平面热导率。

2. 本工作测量了MoS₂(57±3 mW m^-1K^-1)和WS₂(41±3 mW m^-1K^-1)薄膜在通过平面方向的超低热导率，并使用揭示一维玻璃样热传输的分子动力学模拟定量解释了这些值。相反，这些MoS₂薄膜的面内热导率接近单晶值。

3. 本工作提出，使用本工作制备的各向异性薄膜覆盖纳米Au电极可以防止电极过热，并阻止热量到达设备表面。此外，本工作制备的r-MoS₂薄膜可以在不影响其电学性能的条件下与Au电极集成。

图文解析

▲图1. r-TMD薄膜的结构

要点：

1、本工作证明了这种超低热导率是由层间转动提供的，如图1a所示。层间转动打破了原子尺度上的面内平移对称性，同时在每个单层中保持面内长程结晶度，从而为仅抑制κ_⊥提供了有效手段。

2、本工作制备了无层间的大面积TMD薄膜(简称r-TMD)，该薄膜具有长程的晶面内结晶度和每个层间界面的相对晶格旋转(图1b)。薄膜的大规模制备采用两个步骤：晶片尺度生长连续TMD单层(多晶)和真空中逐层堆叠。

3、透射电子显微镜(TEM)衍射图(图1c)和暗场图表明，MoS₂单层膜由大尺寸(D≈1 μm)、随机取向的晶畴组成，横向连接形成连续的多晶膜。真空堆叠产生的r-TMD薄膜具有精确的层数(N)和高质量的界面，在每一个堆叠界面都有层间转动。

▲图2. r-MoS₂的面内热性能

要点：

1、图2给出了利用时域热反射(TDTR)测量的r-TMD薄膜的κ_⊥。一束激光脉冲(泵浦)加热蓝宝石上沉积在r-TMD薄膜上的Al垫表面，产生温度敏感的热反射信号，该信号经过不同的延时后用探测脉冲测量。

2、图2a给出了用N=1、2和10的r-MoS₂测得的3条代表性曲线。曲线随着N的增加而平缓，说明散热明显减缓。利用热扩散模型(实线，图2a)拟合这些曲线，可以得到R_TDTR。

3、图2b显示了r-MoS₂的RTDTR与N和r-WS₂在环境条件下测量。本工作做两个观察。当N≥2时，RTDTR随N线性变化。这些观察证实了r-TMD薄膜中穿过平面的热输运在本质上是扩散的，与报道的几层单晶MoS₂(厚度达240 nm)的弹道输运相反。

4、本工作表明，层间转动是导致这些r- TMD薄膜超低κ_⊥的主要原因。此外，在不同温度(T)下重复对r-MoS₂进行类似的TDTR实验，可以得到相对平坦的κ_⊥(T)曲线(绿色五角星，图2c)，这种行为不同于体相MoS₂中κ_⊥随T降低的行为(蓝色方块，图2c)。

▲图3. r-MoS₂薄膜的面内热性能和热各向异性

要点：

1、与κ_⊥相反，κ_||在本工作的模拟中保持较高，与理想体晶体相比仅有小幅的减小。本工作在悬浮的r-MoS₂薄膜的中心位置定向了一个聚焦光斑(λ=532 nm) (图3a)；孔直径为5 μm)，在吸收激光功率Pabs后，局部提高其温度(ΔT)。然后利用每个样品独立测量的灵敏度因子(|dω/dT|)，利用温度敏感拉曼峰移(Δω )测量ΔT。

2、尽管r-MoS₂薄膜是由多晶单层制成的，但这些薄膜的κ_||接近于本征声子限定值。本工作对D≈400 nm的连续r-MoS₂薄膜的额外测量进一步支持了这一结果，κ_|| ≈44±6 W m^-1K^-1的测量值在D≈1 μm薄膜的误差范围内。这表明声子平均自由程小于400 nm。此外，测量的面内电导随T的减小而减小，这进一步证实了声子介导的平面内热输运机制，与沿通平面方向的类玻璃导热相反。

3、本工作的实验和计算证实了r-TMD薄膜中的层间转动导致了高方向性的热导率和方向相关的热传导机制。旋转在保持高κ_||的同时显著降低κ_⊥，导致ρ的超高值。相对于块状MoS₂晶体(ρ≈ 20) 或无序层状WSe₂ (ρ ≈ 30)，由于层间转动仅减小κ_⊥，r-MoS₂的ρ显著增大，这也说明，从石墨烯等κ_||值较高的层状vdW材料的单层开始，可以使ρ更大。

▲图3. Au电极上r-MoS₂薄膜的温度分布和热扩散效率

要点：

1、本工作证明，制备的r-MoS₂薄膜的极端各向异性具有优异的面内散热和剧烈的面内隔热。利用COMSOL软件，在50 nm SiO₂/Si衬底上，对10nm厚的r-MoS₂薄膜在纳米级Au电极(高15 nm，宽100 nm )上热有限元模拟(图4a)。模拟结果表明，在8 mW的固定功率下(接近热击穿)，r-MoS₂复盖的Au电极的温升Δ Ψ _T比裸电极低50 K，表明该薄膜具有优良的κ_||特性，具有良好的散热效果。

2、有趣的是，本工作制备的r-MoS₂薄膜的极端热各向异性提供了贯穿平面方向的隔热性能，较低的MoS₂表面△T值仅为裸金电极的三分之一。而单晶MoS₂表现出相似的性能，r-MoS₂中的绝缘作用更强。这意味着热量通过r-MoS₂横向有效地从热Au电极上传导出去，而不是传导到r-MoS₂表面，使得整个器件的表面的温度明显降低。

3、本工作制作了与模拟的几何形状和基底相同的纳米级Au电极(图4d)，利用真空堆垛工艺转移N=16 r-MoS₂ (~10 nm厚)。裸Au电极和镀Au电极在低电流下都表现出相似的电阻。在较高电流下，电流诱导焦耳加热导致热激活的电迁移过程，使电极失效。图4d比较了裸和镀Au电极测得的代表性电流-电压(I-V)曲线，由图可知，添加r-MoS₂的Au电极可以携带较大的电流而不发生断裂。从20个电极(10个裸露，10个带有r-MoS₂)测得的临界电流Ic (最大电流a Au电极至少维持20 s)的直方图揭示了Ic中值增加了~50%。

4、本工作的实验结果表明，本工作制备的r-MoS₂薄膜能够有效地耗散焦耳热并保持电极的冷却。由于电迁移过程受温度的控制，观察到的断前Ic和最大功率的增加与图4c中的模拟吻合较好。此外，本工作注意到r-MoS₂薄膜可以在不影响其电学性能的条件下与Au电极集成。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03867-8

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