Heterogene nanomaterialen kunnen nu geavanceerde elektronica- en fotonicatoepassingen vergemakkelijken, maar dergelijke vooruitgang is een uitdaging voor thermische toepassingen vanwege de relatief kortere golflengten van warmtedragers (bekend als fononen). In een nieuwe studie, nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Sam Vaziri en medewerkers van Theiss Research en de afdelingen Electrical Engineering, Materials Science and Engineering aan het National Institute of Standards and Technology (NIST), en het Precourt Institute of Energy aan de Stanford University, Stanford Californië, toonde een ongewoon hoge thermische isolatie aan over ultradunne heterostructuren.

Ze bereikten dit door atomair dunne lagen aan te brengen, tweedimensionale (2-D) materialen om kunstmatige stapels monolaag grafeen (Gr) te vormen, molybdeendisulfide (MoS ₂ ) en wolfraamdiselenide (WSe ₂ ), met thermische weerstand groter dan siliciumdioxide (SiO ₂ ). Naast effectieve thermische geleidbaarheid lager dan lucht bij kamertemperatuur. Met behulp van Raman-thermometrie, de wetenschappers identificeerden tegelijkertijd de thermische weerstand tussen alle 2-D monolagen in de stapel om thermische metamaterialen te vormen als voorbeelden in het opkomende gebied van phononics. Vaziri et al. toepassingen voorstellen van de metamaterialen in ultradunne thermische isolatie, het oogsten van thermische energie en het routeren van warmte binnen ultracompacte geometrieën.

Geavanceerde elektronische en fotonische apparaten zoals transistors met hoge elektronenmobiliteit, kwantumcascadelasers en fotonische bandgap-kristallen profiteren van de fermionische aard van ladingsdragers tijdens voltage-gating of opsluiting. Dan maken ze tijdens hun interferentie gebruik van lange fotongolflengten. Hoe dan ook, thermische nano-engineering en het opkomende gebied van phononics bieden slechts enkele voorbeelden, ondanks de bestaande vraag naar warmtebeheertoepassingen. Deze discrepantie is het gevolg van de korte golflengten van warmtedragende trillingen in vaste stoffen, waar de bosonische aard van fononen ook kan bijdragen aan de uitdaging om het warmtetransport in vaste stoffen actief te beheersen, waar het niet spanningsafhankelijk kan zijn zoals ladingsdragers.

Natuurkundigen hadden eerder geprobeerd de thermische eigenschappen van vaste stoffen te manipuleren met behulp van niet-gelamineerde films en superroosters om de thermische geleidbaarheid onder de samenstellende materialen te verminderen om uiteindelijk thermische manipulatie te bereiken via structurele wanorde en hoge grensvlakdichtheid om extra thermische weerstand te introduceren. Ze vonden ongewoon lage thermische geleidbaarheid in nano-engineered silicium en germanium nanodraden als gevolg van sterke fonon-grensverstrooiing en bereikten grote thermische geleidbaarheid in isotopisch zuivere materialen zoals diamant, grafeen en boorarsenide via verminderde fononverstrooiing.

Tweedimensionale (2-D) materialen hebben dus een nieuwe grens mogelijk gemaakt met sub-nanometer dunne, enkele monolagen om apparaatgedrag op atomaire lengteschalen te regelen. Bestaande voorbeelden zijn onder meer nieuwe tunneling-veldeffecttransistoren en ultradunne fotovoltaïsche cellen met een hoog rendement. In het huidige werk, Vaziri et al. gebruikte Van der Waals (vdW) assemblage van atomair dunne 2D-lagen om ongewoon hoge thermische weerstand over heterostructuren te bereiken. Ze vertoonden een thermische weerstand gelijk aan 300 nm dik SiO ₂ over sub-2-nm-dunne vdW heterostructuren met schone, residuvrije interfaces. Door heterogene 2D-monolagen met verschillende atomaire dichtheden en vibratiemodi in lagen te leggen, toonde het onderzoeksteam het potentieel aan om thermische eigenschappen op atomaire schaal aan te passen; in de orde van de fonongolflengte. De structurele basis van de nieuwe fononische metamaterialen met ongebruikelijke eigenschappen wordt niet vaak gevonden in de natuur. Het huidige werk vertegenwoordigt unieke toepassingen van 2D-materialen en hun zwakke vdW-interacties voor montage om de warmtestroom te blokkeren of te geleiden.

Het onderzoeksteam verkreeg een dwarsdoorsnede van een vierlagige heterostructuur met grafeen (Gr) op MoSe ₂ (molybdeendiselenide), MoS ₂ (molybdeendisulfide) en WSe ₂ (wolfraamdiselenide) op een SiO ₂ /Si-substraat. Met behulp van een Raman-laser, ze onderzochten tegelijkertijd de afzonderlijke lagen in de stapel met een enkele laagnauwkeurigheid. Het onderzoeksteam kweekte de 2-D monolaagmaterialen afzonderlijk met behulp van chemische dampafzetting en bracht ze over om polymeer- en andere residuen te vermijden. Om de microstructuur te bevestigen, thermische en elektrische eigenschappen van de heterostructuren, Vaziri et al. gebruikte uitgebreide materiaalkarakteriseringstechnieken, inclusief scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM), fotoluminescentie (PL) spectroscopie, Kelvin-sondemicroscopie (KLM) en scanning thermische microscopie (SThM) naast Raman-spectroscopie en thermometrie. Met behulp van de technieken, ze onthulden de handtekening van elke 2-D materiële monolaag in de stapel en die van het Si-substraat. Met behulp van meerdere STEM-afbeeldingen, het onderzoeksteam onthulde atomair intieme vdW-hiaten zonder verontreinigingen, waardoor ze de totale dikte van de heterostructuren kunnen observeren. Vervolgens bevestigden ze de koppeling tussen de lagen over grote oppervlakken met behulp van PL-spectroscopie.

Om de warmtestroom loodrecht op de atomaire vlakken van de heterostructuur te meten, Vaziri et al. patroon de stapels in de vorm van vier-sonde elektrische apparaten. Ze gebruikten elektrische verwarming om het ingangsvermogen nauwkeurig te kwantificeren en bevestigden dat de stroomgeleiding en verwarming op de bovenste grafeenlaag ordes van grootte groter waren dan voor MoS ₂ en WSe ₂ . Om de uniformiteit van de oppervlaktetemperatuur van deze apparaten aan te tonen, gebruikten ze KPM- en SThM-oppervlaktekarakteriseringsmethoden en kwantificeerden vervolgens de temperatuur van elke afzonderlijke laag met behulp van Raman-spectroscopie. Als de grafeen warmtekracht ( P ) opgevoerd in het systeem, de temperatuur van elke laag nam toe in een Gr/MoS ₂ /WSe ₂ heterostructuur opstelling. Door uniforme verwarming konden de onderzoekers de thermische weerstanden eenvoudig van onder naar boven analyseren. De uitstekende overeenkomst tussen de twee thermometriemethoden van Raman en SThM valideerde de waarden die in de opstelling werden verkregen.

De wetenschappers analyseerden de thermische grensweerstand (TBR) tussen de lagen die verantwoordelijk zijn voor de zeer grote thermische weerstand loodrecht op de heterostructuren. De metingen van de thermische grensgeleiding (TBC) in het onderzoek waren een primeur voor atomair intieme interfaces tussen 2-D/2-D monolagen en vormden de eerste gerapporteerde TBC tussen WSe ₂ en SiO ₂ monolagen _. Ze toonden aan dat TBC's verkregen voor Gr/SiO ₂ en MOS ₂ /SiO ₂ raakvlakken overeengekomen met eerdere studies, terwijl TBC van de monolaag WSe ₂ /SiO ₂ interface was relatief lager, wat niet onverwacht was vanwege de relatief minder flexurale fonon-modi die beschikbaar zijn voor transmissie in de monolaag. Volgens de resultaten, TBC voor een 2-D/2-D interface was lager dan de TBC met een 3D SiO ₂ substraat. De laagste TBC geregistreerd in het werk behoorde toe aan Gr/WSe ₂ en het onderzoeksteam legde de waarnemingen uit met behulp van de Landauer-formule. Het onderzoeksteam verkreeg de fonon-transmissie op de interface met behulp van het akoestische mismatch-model (AMM) als de verhouding van de massadichtheid van de twee materialen. De onderzoekers hebben TBC-trends vastgelegd met behulp van een eenvoudig model van warmtestroom over de interfaces die in het onderzoek zijn ontwikkeld.

Op deze manier, Sam Vaziri en collega's hebben kennis opgedaan om atomair op maat gemaakte thermische interfaces te realiseren en demonstreerden hun potentieel om extreem thermisch isolerende metamaterialen te ontwikkelen. De nieuw ontwikkelde metamaterialen vertoonden eigenschappen die ongekend waren in de natuur. De heterostructuren bieden een voorbeeld in de opkomende gebieden van de fononen om de thermische eigenschappen van vaste stoffen te manipuleren op lengteschalen die vergelijkbaar zijn met fonon-golflengten. De 2D gelaagde materialen bieden veelbelovende, ultralichte en compacte hitteschilden om warmte weg te leiden van hotspots in elektronica. Het onderzoeksteam stelt zich voor de metamaterialen te vertalen om de efficiëntie van thermo-elektrische energieoogsters en thermisch actieve apparaten zoals faseovergangsgeheugens in de toekomst te verbeteren.

© 2019 Wetenschap X Netwerk