Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben nieuwe manieren gevonden om te regelen hoe warmte door dunne materialen stroomt door atomair dunne lagen atomen in van der Waals-heterostructuren te stapelen. Door verschillende stapels van verschillende materialen te vergelijken, of zelfs hetzelfde materiaal na warmtebehandeling, ontdekten ze dat een zwakke koppeling en mismatch tussen lagen het warmtetransport aanzienlijk hielpen verminderen. Hun bevinding belooft een gevoelige controle van de warmtestroom op nanoschaal in thermo-elektrische apparaten.

Warmte is overal, en het stroomt. Warmte op de verkeerde plaatsen kan ook schadelijk zijn. Voorbeelden zijn oververhitting van elektronica, omdat microchips meer warmte produceren dan ze kunnen verwijderen terwijl ze intensieve rekentaken uitvoeren. Dit kan de levensduur van elektronische apparaten beschadigen of ernstig verkorten, waardoor de controle van de warmtestroom op nanoschaal een dringende zorg wordt voor de moderne samenleving.

Een team onder leiding van professor Kazuhiro Yanagi van de Tokyo Metropolitan University heeft gewerkt aan manieren om ultradunne lagen te produceren en te verwerken van een klasse materialen die bekend staat als overgangsmetaaldichalcogeniden. Hier namen ze lagen molybdeendisulfide en molybdeendiselenide van een enkel atoom dik en stapelden ze op elkaar in lagen van vier (4L-films). De lagen kunnen op verschillende manieren aan elkaar worden gekoppeld. Dankzij de unieke, voorzichtige manier waarop het team grote enkele atoomdunne vellen overbrengt, konden ze stapels lagen maken die door van der Waals-krachten aan elkaar werden gebonden. Ze kunnen ook sterk worden gebonden door meer conventionele technieken, met name chemische dampafzetting (CVD). Dit geeft aanleiding tot een aantal permutaties voor hoe geïsoleerde lagen kunnen worden samengevoegd, en mogelijk bepalen hoe warmte er doorheen komt.

Door een speciale coatingtechniek te gebruiken, konden ze met vrij goede nauwkeurigheid detecteren hoe minuscule hoeveelheden warmte langs deze stapels stroomden. Ten eerste ontdekten ze dat lagen die sterk gebonden zijn door CVD aanzienlijk meer warmte doorlaten dan hun losjes gebonden tegenhangers. Dit effect kan gedeeltelijk worden omgekeerd door zwak vastgehouden lagen te gloeien, waardoor de binding sterker wordt en het transport van warmte verbetert. Verder vergeleken ze stapels van vier molybdeensulfidelagen met een "lasagne"-achtige structuur gemaakt van afwisselende lagen molybdeensulfide en molybdeenselenide. Dergelijke heterostructuren hadden een kunstmatige structurele mismatch tussen aangrenzende lagen van atomen, wat leidde tot aanzienlijk lagere niveaus van warmteoverdracht, meer dan 10 keer minder dan bij sterk gebonden lagen.

De bevindingen van het team demonstreren niet alleen een nieuwe technische ontwikkeling, maar bieden ook algemene ontwerpregels over hoe je kunt bepalen hoe warmte op nanoschaal stroomt, of je nu meer of minder wilt stromen. Deze inzichten zullen leiden tot de ontwikkeling van ultradunne, ultralichte isolatoren en nieuwe thermo-elektrische materialen, waar warmte effectief kan worden gekanaliseerd voor omzetting in elektriciteit. + Verder verkennen

Ongebruikelijk materiaal kan de betrouwbaarheid van elektronica en andere apparaten verbeteren