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科学家揭示二维材料异质结间热传输机制,有望用于电子元件热管理

2024-06-15 07:46:03      点击:051

近期,科学宁存政教授领导的家揭结间清华大学和深圳技术大学团队对纳米尺度上的热传输进行研究。 通过定量测量二维材料层间热导率随着层间距的示维输机变化,首次系统地分析得出了声子热传导、材料空气热传导以及热辐射在层间 1-2nm 尺度上层间热传输中的异质于电元件不同贡献。


研究人员发现,热传热管在这三个不同传热机制的望用共同作用与权衡下,存在一个最佳间距,科学使得二维材料异质结层间热导率最小,家揭结间仅为现有所有隔热材料热导率最低值的示维输机千分之二,即将现有最好绝热材料的材料绝热性能提高了 500 倍。

宁存政表示:“这表明二维材料在隔热应用方面有望实现巨大的异质于电元件突破,基于对纳米尺度上传热机制的热传热管理解,我们有可能解决热管理中目前存在的望用一些问题。”


图丨宁存政(来源:深圳技术大学集成电路与光电芯片学院)

另外,研究人员还解决了纳米尺度上热传输领域内测量精度的问题。

例如,在此前应用拉曼光谱法进行二维材料热导率的表征研究中,往往容易忽视掺杂与应变等因素带来的影响,而该研究采用了一种改进的双光束拉曼与光致荧光光谱法,排除了干扰因素,准确地实现了热导率的表征。

日前,相关论文以《石墨烯与二硫化钨单层间的极端隔热与热传输机制的权衡》()为题发表在 Advanced Materials 上[1]。

清华大学张睿玲博士和副研究员为共同第一作者,宁存政教授担任通讯作者。

图丨相关论文(来源:Advanced Materials)

审稿人对该研究评价道:“这项研究为石墨烯和二硫化钨之间的层间热传输提供了宝贵的见解,阐明纳米尺度上热传输机制的基础科学,并为各种应用提供了潜在的影响。类似的模型也可应用于其他二维材料,开启了一个有趣的热管理新方法。”


开启热传输机制研究与热管理的新方法


该研究中的传热体系是由单层二硫化钨 ( WS 2 )和石墨烯(Gr)构成的双层结构,基于此结构的 WS 2/Gr 异质结通过分别机械剥离单层材料,接着进行干法转移操作在硅衬底上堆叠而成。


对于理想接触的 WS 2/Gr 双层结构,其层间距在 1nm 以下。然而,在实际的制备过程中,一些气泡和褶皱结构的存在,使得两层材料的层间距往往达到 2nm 以上。

为实现层间距离的控制,该课题组将样品进行真空高温退火,通过调节退火时间以及温度,来实现不同层间距的样品。

最终,得到了从完全接触到几纳米层间距范围的一系列 WS 2/Gr 异质结样品,用来系统研究层间热导率与间距的依赖关系。值得关注的是,研究人员将层间距离从完全接触增加到几纳米,来探索热传输机制,这种精度上的距离控制在一般情况下是难以实现的。

需要了解的是,在 WS 2/Gr 双层结构中,可能的层间热传输机制包括声子热传导、空气热传导以及近场热辐射。

研究人员通过实验结合理论分析发现,在 WS 2/Gr 的层间距接近理想接触状态时,层间热传输由声子热传导所主导。随着层间距的增大,声子热导率由于两侧材料声子耦合程度的减弱而迅速衰减。

另一方面,空气热导率则随着间距的增加而持续增大,直至超过声子而开始主导层间热传输。至于热辐射的贡献,相较于声子与空气热传导可忽略不计。

因此,在声子热传导与空气热传导这两种传热机制的权衡下,存在一个最佳层间距,使得 WS 2/Gr 的层间热导率达到最小值。

“能够在这么小的尺度上通过对层间间距的控制,发现不同的传热机制之间的微妙的消长和平衡,对理解热传导的基本物理过程很有意义,而发现这个最佳平衡点时的这么好的绝热性能,又可能有重要的技术应用。”宁存政说。

在实验结果中,层间距为 2.11nm 的样品层间热导率达到最低, 为 1. 41× 10 -5 Wm -1 K -1 ,该指标仅为现有报道的隔热材料中最低热导率的千分之二。


“也就是说,我们的绝热结构是现有最佳的绝热材料绝热性能的 500 倍,表明类似 WS 2/Gr 异质结构在隔热方面具有巨大的应用潜力。”宁存政说。


图丨声子热导率(蓝色虚线)、空气热导率(红色虚线)、热辐射(绿色虚线)以及总热导率(黄线)随层间距 d 的变化,黑点为 WS 2 /Gr 异质结热导率的实验值(来源: Advanced Materials )

相较于宏观尺度,纳米尺度热传输研究的挑战在于,纳米尺度的精确控制以及纳米材料热学性质的精确测量。

对于平板-平板热传输模型的研究,现有实验研究主要通过纳米柱支撑、压电促动器等技术来控制两物体间的间距,通过集成的电学加热及温度传感装置来测量物体的温度及热流。

在这种复杂的实验装置下,目前能够达到百纳米至最小 7nm 的实验测试间距。

在该研究中,通过干法堆叠以及真空热退火等方式,二维材料的层间距可被精确地控制在 3nm 以下。二维材料的平整性和无面外化学键的特性,为层间热传输的研究,提供了前所未有的机会。

此外,由于材料极易受到周围环境的干扰,而导致自身性质和结构的改变。因此,热导率等热学性质的测量准确性成为一大挑战。

该研究采用拉曼和光致荧光光谱等无损的纯光学手段来研究传热,没有向材料结构中引入复杂的电极、金属反射膜和微机电等结构,能够极大程度地保证材料性质和层间结构的稳定性。

并且,该方法能够排除掺杂、应变等因素的影响,从而准确地提取热效应的独立影响,确保了实验结果的准确性。


图丨应用双光束拉曼与光致荧光光谱法测量 WS 2 /Gr 异质结层间热导率(来源:Advanced Materials)


“歪打正着”的发现


实际上,二维材料异质结间的热传输并不是该课题组研究的初衷,他们在研究二维材料异质结的层间电荷转移时,发现有其他效应如应变和热传输,影响对电荷转移的测量和理解,因此需要解离不同因素的影响,从而准确地测量热传输效应。

然而,在反复地分析与调研后,研究人员发现二维材料的层间传热是重要且有趣的研究方向,这种双层二维材料可能是一个很好的隔热结构,顺着该方向不断摸索与挖掘,才意识和理解到结果的全部含义,有了如今的成果。

“我想这种对未知事物的不断探索与调整,坚持不懈与适当灵活机动之间的平衡,这些出乎预料、歪打正着的发现,正是科研工作的乐趣所在。”宁存政表示。

那么,如何将这种小尺度的隔热结构引入到电子元件和精密仪器的热管理中呢?

张睿玲解释说道:“可将 WS 2/Gr 异质结的 WS 2 一侧面向拟保护的热敏感单元,Gr 一侧则面对可能存在热源的方向。”

这样当外界热源流入时,热量会迅速在石墨烯的面内耗散(石墨烯面内热导率较高),而垂直于 Gr 和 WS 2 的层间方向则会阻断热流的流入,从而保护热敏感单元。

该团队希望类似的结构可用在芯片或集成电路中的热管理,即把热从高温热源尽快散去,同时将热源与关键元件隔热分离以防止过热。

另外,这种隔热结构可应用在手持或可穿戴电子器件的表面,以隔绝人体皮肤。

也就是说,当器件局部过热时,首先通过 Gr 面内 实现有效散热,而在由 Gr 向 W S 2 的层间方向上热量将被有效阻隔,如此一来便能够减小电子器件发热对人体皮肤的损伤。


据介绍,目前该课题组所制备的二维材料异质结构的尺寸在数十微米量级,未来面向隔热应用,需要更大尺寸的二维材料异质结构。

接下来,一方面,研究人员计划研究如何实现具有清洁界面,以及可控层间距的大尺寸二维材料异质结;另一方面,他们还将探索在小器件热管理上的应用。


参考资料:
1.Ruiling Zhang,Lin Gan,Danyang Zhang,Hao Sun,Yongzhuo Li,Cun-Zheng Ning. Extreme Thermal Insulation and Tradeoff of Thermal Transport Mechanisms between Graphene and WS2Monolayers. Advanced Materials (2024, 2313753). https://doi.org/10.1002/adma.202313753

运营/排版:何晨龙

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