跨越非均匀分层的二维材料的超高热隔离

异质纳米材料现在可以促进先进的电子学和光子学应用，但是由于相对较短的热载体波长(称为声子)，这种进步对于热应用是具有挑战性的。在一项新的研究中，现在发表在Science Advances，Sam Vaziri和Theiss Research的同事以及美国国家标准与技术研究院(NIST)的电气工程，材料科学与工程系以及Precourt能源研究所斯坦福大学，加利福尼亚州斯坦福大学，在超薄异质结构中表现出异常高的热隔离。

他们通过分层原子级薄的二维(2-D)材料形成单层石墨烯(Gr)，二硫化钼(MoS 2)的人造堆叠来实现这一目标。和二硒化钨(WSe 2)，其耐热性大于二氧化硅(SiO 2)。在室温下，有效导热系数低于空气。利用拉曼测温技术，科学家们同时确定了堆叠中任何二维单层膜之间的热阻，以形成热超材料，作为新兴声学领域的例子。Vaziri等人。提出超材料在超薄绝热，热能收集和超紧凑几何形状内的热量传递中的应用。

先进的电子和光子器件，如高电子迁移率晶体管，量子级联激光器和光子带隙晶体利用的费米性质电压门控或禁闭期间的电荷载体。然后他们在干扰期间利用长光子波长。然而，尽管现有对热管理应用的需求，但热纳米工程和新兴的声学领域仅提供了一些例子。这种差异是由固体中的热载荷振动的短波长引起的，其中玻色子性质声子也可能有助于积极控制固体中的热传输，而不能像电荷载体那样进行电压门控。

物理学家先前曾尝试使用非层压薄膜和超晶格来操纵固体的热性质，以降低组成材料以下的导热性，最终通过结构无序和高界面密度实现热操作，从而引入额外的热阻。由于强声子边界散射，他们在纳米工程硅和锗纳米线中发现异常低的导热率，并通过降低的声子散射在同位素纯材料如金刚石，石墨烯和砷化硼中获得大的热导率。

因此，二维(2-D)材料实现了具有亚纳米薄单单层的新前沿，以控制原子长度尺度下的器件行为。现有示例包括具有高效率的新隧穿场效应晶体管和超薄光伏器件。在目前的工作中，Vaziri等人。使用范德瓦尔斯(vdW)组装的原子级薄2-D层，以在异质结构上实现异常高的热阻。它们显示出相当于300nm厚的SiO 2的热阻穿过亚2纳米薄的vdW异质结构，具有干净，无残留的界面。通过将具有不同原子密度和振动模式的异质2-D单层分层，研究团队展示了在原子尺度上定制热性质的潜力; 在声子波长的量级上。具有不寻常特性的新型声子超材料的结构基础在自然界中并不常见。目前的工作代表了二维材料的独特应用及其弱的vdW相互作用，用于组装以阻挡或引导热流。

研究小组在SiO 2 / Si衬底上获得了在MoSe 2(二硒化钼)，MoS 2(二硫化钼)和WSe 2(钨二硒化物)上的石墨烯(Gr)的四层异质结构的横截面。使用拉曼激光，他们同时以单层精度探测堆叠中的各个层。研究小组分别使用化学气相沉积法生长二维单层材料并将其转移以避免聚合物和其他残留物。为了证实异质结构的微观结构，热学和电学性质，Vaziri等人。使用广泛的材料表征技术，包括扫描透射电子显微镜(STEM)，光致发光(PL)光谱，开尔文探针显微镜(KLM)和扫描热显微镜(SThM)以及拉曼光谱和测温。利用这些技术，他们揭示了堆叠中每个2-D材料单层和Si衬底的特征。研究小组使用多个STEM图像显示原子密切的vdW间隙，没有污染物，允许他们观察异质结构的总厚度。然后，他们使用PL光谱确认了大表面区域的层间耦合。

为了测量垂直于异质结构的原子平面的热流，Vaziri等人。以四探针电子设备的形状图案化堆叠。他们使用电加热来精确量化输入功率，并确认顶部石墨烯层上的电流传导和加热比MoS 2和WSe 2大几个数量级。为了证明这些器件的表面温度均匀性，他们使用KPM和SThM表面表征方法，然后使用拉曼光谱法量化每个单独层的温度。随着石墨烯热功率(P)在系统中上升，每层的温度在Gr / MoS 2 / WSe 2中增加异质结构设置。由于均匀加热，研究人员可以轻松分析从下到上的热阻。拉曼和SThM的两种测温方法之间的良好一致性验证了在设置中获得的值。

科学家分析了导致垂直于异质结构的非常大的热阻的层之间的热边界电阻(TBR)。该研究中的热边界电导(TBC)测量首先针对2-D / 2-D单层之间的原子紧密界面，并形成WSe 2和SiO 2单层之间的第一个报道的TBC 。他们表明，获得的Gr / SiO 2和MOSe 2 / SiO 2界面的TBC 与先前的研究一致，而单层WSe 2 / SiO 2界面的TBC 相对较低由于可用于单层传输的相对较少的弯曲声子模式，这并不出乎意料。根据结果​​，2-D / 2-D界面的TBC低于具有3-D SiO 2衬底的TBC 。工作中记录的最低TBC属于Gr / WSe 2，研究小组使用Landauer公式解释了观察结果。研究小组利用声学失配模型(AMM)作为两种材料的质量密度比，在界面处获得了声子传输。研究人员利用研究中开发的界面的热流模型捕获了TBC趋势。

通过这种方式，Sam Vaziri及其同事获得了实现原子定制热界面的知识，并展示了他们设计极其绝热的超材料的潜力。新设计的超材料表现出前所未有的性质。异质结构在新兴的声学领域中提供了一个例子，以在与声子波长相当的长度尺度上操纵固体的热性质。2-D层状材料提供有前途的超轻型和紧凑型隔热罩，可将热量从电子设备中的热点引出。该研究团队设想转换超材料以提高热电能量收集器和热相器等相变存储器的功效 在将来。