Een studie gepubliceerd in Advanced Materials onthult de thermische transporteigenschappen van ultradunne kristallen van molybdeendiselenide, een tweedimensionaal materiaal van de familie van overgangsmetaaldichalcogenide (TMD). TMD-materialen presteren beter dan silicium en blijken uitstekende kandidaten te zijn voor elektronische en opto-elektronische toepassingen, zoals flexibele en draagbare apparaten. Dit onderzoek, waarbij onderzoekers betrokken waren die behoren tot vier ICN2-groepen en van ICFO (Barcelona), Universiteit Utrecht (Nederland), Universiteit van Luik (België) en het Weizmann Institute of Science (Israël), werd gecoördineerd door ICN2-groepsleider Dr. Klaas-Jan Tielrooij.

De toenemende vraag naar extreem kleine componenten en apparaten heeft ertoe geleid dat wetenschappers op zoek zijn gegaan naar nieuwe materialen die het beste aan deze behoeften kunnen voldoen. Tweedimensionale gelaagde materialen (2D-materialen) - die zo dun kunnen zijn als een of enkele atoomlagen en alleen sterk verbonden zijn in de richting van het vlak - hebben de aandacht getrokken van zowel de academische wereld als de industrie, en blijven verbazen met hun eigenaardige en opmerkelijke eigenschappen. Onder hen zijn overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) veelbelovend voor een verscheidenheid aan elektronische, opto-elektronische en fotonische toepassingen.

Als het gaat om de integratie en miniaturisering van apparaten, is een belangrijk aspect om rekening mee te houden de thermische transporteigenschappen van materialen:in de meeste toepassingen is oververhitting een cruciale factor die de prestaties en levensduur beperkt. Om te profiteren van de elektronische en optische eigenschappen van TMD's, is daarom een ​​diep begrip en controle van de warmtestroom in deze materialen vereist. Vooral het begrijpen van de effecten van kristaldikte - tot slechts één laag - en de omgeving op thermisch transport zijn de sleutel tot toepassingen.

Invloed van kristaldikte op thermische dissipatie-eigenschappen

Een gecombineerde experimentele en theoretische studie die onlangs is gepubliceerd in Advanced Materials onderzoekt de thermische geleidbaarheid van molybdeendiselenide (MoSe₂ ), wat een archetypisch TMD-materiaal is.

David Saleta Reig, Ph.D. student en eerste auteur van het werk, zegt:"We hebben een systematische studie uitgevoerd naar de effecten van kristaldikte en de omgeving op de warmtestroom. Dit vult een belangrijke leemte in de wetenschappelijke literatuur over 2D-materialen." Het uitvoeren van betrouwbare experimentele studies of computersimulaties van thermisch transport over een breed scala van diktes van bulk tot een enkele moleculaire monolaag is inderdaad geen gemakkelijke taak. De auteurs van dit onderzoek waren in staat om deze uitdagingen te overwinnen en protocollen en resultaten te produceren die niet alleen geldig zijn voor de case study, MoSe₂ , maar ook voor een breder scala aan 2D-materialen.

Ultradunne MoSe₂ transporteert warmte sneller dan ultradun silicium

De experimentele metingen, in combinatie met numerieke simulaties, leidden tot een opmerkelijk resultaat:"We ontdekten dat de in-plane thermische geleidbaarheid van de monsters slechts marginaal afneemt wanneer de dikte van het kristal helemaal wordt verminderd tot een monolaag met een dikte van minder dan nanometer ", legt Sebin Varghese, Ph.D. student en tweede auteur van de studie. Dit gedrag komt voort uit de gelaagde aard van MoSe₂ en onderscheidt TMD-materialen van niet-gelaagde halfgeleiders, zoals de industriestandaard silicium. In het laatste geval neemt de thermische geleidbaarheid dramatisch af wanneer de dikte de nanometer nadert, als gevolg van verhoogde verstrooiing aan het oppervlak. Dit effect is veel minder significant in gelaagde materialen, zoals MoSe₂ .

Eerste principes thermische transportsimulaties reproduceerden de experimentele resultaten op een uitstekende manier en leidden tot een ander verrassend resultaat:"Voor de dunste films wordt de warmte gedragen door verschillende fonon-modi dan voor dikkere", zegt Dr. Roberta Farris, postdoctoraal onderzoeker die de ab initio simulaties ontwikkeld en uitgevoerd. Ten slotte verduidelijkt deze studie ook de invloed van de omgeving van het materiaal op de warmteafvoer, wat aantoont dat ultradunne MoSe₂ is in staat om warmte zeer efficiënt af te voeren naar omringende luchtmoleculen.

Dr. Klaas-Jan Tielrooij, die het werk coördineerde, zegt:"Dit werk laat zien dat TMD-kristallen met een (sub)nanometerdikte het potentieel hebben om beter te presteren dan siliciumfilms, zowel in termen van elektrische als thermische geleidbaarheid in deze ultradunne limiet." Deze resultaten demonstreren dus de uitstekende vooruitzichten van TMD's voor toepassingen die diktes in de orde van enkele nanometers of minder vereisen, bijvoorbeeld in het geval van flexibele en draagbare apparaten en elektronische componenten op nanoschaal. "Natuurlijk valt nog te bezien of TMD's hun beloften zullen waarmaken", besluit Dr. Tielrooij, "aangezien er veel hindernissen moeten worden genomen voordat deze materialen op industriële schaal zullen worden toegepast. We weten nu tenminste dat hun thermische eigenschappen zijn in principe geen show-stopper."

De auteurs van deze studie gebruikten de Raman-thermometrietechniek om de thermische geleidbaarheid te meten van een groot aantal gesuspendeerde, kristallijne en schone MoSe₂ kristallen met systematisch gevarieerde dikte, waarbij ervoor wordt gezorgd dat mogelijke dikteafhankelijke artefacten worden geïdentificeerd en onderdrukt. Ze vergeleken de experimentele resultaten met ab initio simulaties – gebaseerd op densiteitsfunctionaaltheorie en Boltzmann transporttheorie – uitgevoerd met de SIESTA methode en software, die met name geschikt is voor atomistische simulaties met een groot aantal atomen. + Verder verkennen

Overgangsmetaal dichalcogeniden worden zwakker als de dikte afneemt