Les nanomatériaux hétérogènes peuvent désormais faciliter les applications avancées de l'électronique et de la photonique, mais de tels progrès sont difficiles pour les applications thermiques en raison des longueurs d'onde comparativement plus courtes des caloporteurs (appelés phonons). Dans une nouvelle étude, maintenant publié le Avancées scientifiques , Sam Vaziri et ses collègues de Theiss Research et des départements de génie électrique, Science et génie des matériaux au National Institute of Standards and Technology (NIST), et le Precourt Institute of Energy de l'Université de Stanford, Stanford Californie, a démontré une isolation thermique exceptionnellement élevée à travers des hétérostructures ultra-minces.

Ils y sont parvenus en superposant des couches atomiquement minces, matériaux bidimensionnels (2-D) pour former des empilements artificiels de graphène monocouche (Gr), bisulfure de molybdène (MoS 2 ) et le diséléniure de tungstène (WSe 2 ), avec une résistance thermique supérieure au dioxyde de silicium (SiO 2 ). En plus d'une conductivité thermique effective inférieure à celle de l'air à température ambiante. En utilisant la thermométrie Raman, les scientifiques ont simultanément identifié la résistance thermique entre toutes les monocouches 2D de l'empilement pour former des métamatériaux thermiques comme exemples dans le domaine émergent de la phononique. Vaziri et al. proposer des applications des métamatériaux en isolation thermique ultrafine, la récupération d'énergie thermique et l'acheminement de la chaleur dans des géométries ultracompactes.

Dispositifs électroniques et photoniques avancés tels que les transistors à haute mobilité électronique, les lasers à cascade quantique et les cristaux à bande interdite photonique tirent parti de la nature fermionique des porteurs de charge pendant le déclenchement de tension ou le confinement. Ensuite, ils utilisent de longues longueurs d'onde de photons lors de leur interférence. Néanmoins, la nano-ingénierie thermique et le domaine émergent de la phononique n'en offrent que quelques exemples, malgré la demande existante pour les applications de gestion de la chaleur. Cet écart résulte des courtes longueurs d'onde des vibrations caloporteuses dans les solides, où la nature bosonique des phonons peut également contribuer au défi de contrôler activement le transport de chaleur dans les solides où il ne peut pas être dépendant de la tension comme les porteurs de charge.

Les physiciens avaient déjà tenté de manipuler les propriétés thermiques des solides en utilisant des films non stratifiés et des super-réseaux pour réduire la conductivité thermique sous les matériaux constitutifs pour finalement réaliser une manipulation thermique via un désordre structurel et une densité d'interface élevée pour introduire une résistance thermique supplémentaire. Ils ont trouvé une conductivité thermique inhabituellement faible dans les nanofils de silicium et de germanium nanotechnologiques en raison de la forte diffusion des limites des phonons et ont obtenu de grandes conductivités thermiques dans des matériaux isotopiquement purs tels que le diamant, le graphène et l'arséniure de bore via une diffusion réduite des phonons.

Les matériaux bidimensionnels (2-D) ont ainsi permis une nouvelle frontière avec des épaisseurs inférieures au nanomètre, monocouches simples pour contrôler les comportements des appareils à des échelles de longueur atomique. Les exemples existants incluent les nouveaux transistors à effet de champ à effet tunnel et le photovoltaïque ultramince à haut rendement. Dans le travail present, Vaziri et al. a utilisé un assemblage van der Waals (vdW) de couches 2D atomiquement minces pour obtenir une résistance thermique exceptionnellement élevée à travers les hétérostructures. Ils ont montré une résistance thermique équivalente à 300 nm d'épaisseur de SiO 2 à travers des hétérostructures vdW minces inférieures à 2 nm avec interfaces sans résidus. En superposant des monocouches 2-D hétérogènes avec diverses densités atomiques et modes vibrationnels, l'équipe de recherche a démontré le potentiel d'adapter les propriétés thermiques à l'échelle atomique; de l'ordre de la longueur d'onde du phonon. La base structurelle des nouveaux métamatériaux phononiques aux propriétés inhabituelles n'est pas communément trouvée dans la nature. Le présent travail représente des applications uniques de matériaux 2D et de leurs faibles interactions vdW pour l'assemblage afin de bloquer ou de guider le flux de chaleur.

L'équipe de recherche a obtenu une coupe transversale d'une hétérostructure à quatre couches avec du graphène (Gr) sur MoSe 2 (diséléniure de molybdène), MoS 2 (disulfure de molybdène) et WSe 2 (diséléniure de tungstène) sur un SiO 2 /Si substrat. A l'aide d'un laser Raman, ils ont simultanément sondé les couches individuelles de la pile avec une précision à une seule couche. L'équipe de recherche a développé séparément les matériaux monocouches 2D à l'aide d'un dépôt chimique en phase vapeur et les a transférés pour éviter les polymères et autres résidus. Pour confirmer la microstructure, propriétés thermiques et électriques des hétérostructures, Vaziri et al. utilisé des techniques approfondies de caractérisation des matériaux, y compris la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM), spectroscopie de photoluminescence (PL), Microscopie à sonde Kelvin (KLM) et microscopie thermique à balayage (SThM) aux côtés de la spectroscopie Raman et de la thermométrie. En utilisant les techniques, ils ont révélé la signature de chaque monocouche de matériau 2D dans l'empilement et celle du substrat Si. En utilisant plusieurs images STEM, l'équipe de recherche a révélé des lacunes vdW atomiquement intimes sans contaminants, leur permettant d'observer l'épaisseur totale des hétérostructures. Ils ont ensuite confirmé le couplage intercouche sur de grandes surfaces en utilisant la spectroscopie PL.

Pour mesurer le flux de chaleur perpendiculaire aux plans atomiques de l'hétérostructure, Vaziri et al. modelé les piles sous la forme d'appareils électriques à quatre sondes. Ils ont utilisé le chauffage électrique pour quantifier avec précision la puissance d'entrée et ont confirmé que la conduction et le chauffage du courant sur la couche supérieure de graphène étaient des ordres de grandeur supérieurs à ceux du MoS. 2 et WSe 2 . Pour démontrer l'uniformité de la température de surface de ces dispositifs, ils ont utilisé les méthodes de caractérisation de surface KPM et SThM, puis quantifié la température de chaque couche individuelle à l'aide de la spectroscopie Raman. Comme la puissance calorifique du graphène ( P ) monté en puissance dans le système, la température de chaque couche a augmenté dans un Gr/MoS 2 /WSe 2 mise en place de l'hétérostructure. Grâce à un chauffage uniforme, les chercheurs ont facilement analysé les résistances thermiques de bas en haut. L'excellent accord entre les deux méthodes de thermométrie de Raman et SThM a validé les valeurs obtenues dans le montage.

Les scientifiques ont analysé la résistance thermique aux limites (TBR) entre les couches responsables de la très grande résistance thermique perpendiculaire aux hétérostructures. Les mesures de conductance thermique aux limites (TBC) dans l'étude étaient une première pour les interfaces atomiquement intimes entre les monocouches 2-D/2-D et ont formé le premier TBC signalé entre WSe 2 et SiO 2 monocouches . Ils ont montré que les TBC obtenus pour Gr/SiO 2 et MOSe 2 /SiO 2 interfaces en accord avec les études précédentes, tandis que TBC de la monocouche WSe 2 /SiO 2 l'interface était comparativement plus faible, ce qui n'était pas inattendu en raison des modes de phonons de flexion comparativement moins nombreux disponibles pour la transmission dans la monocouche. D'après les résultats, Le TBC pour une interface 2-D/2-D était inférieur au TBC avec un SiO 3-D 2 substrat. Le TBC le plus bas enregistré dans l'ouvrage appartenait à Gr/WSe 2 et l'équipe de recherche a expliqué les observations en utilisant la formule de Landauer. L'équipe de recherche a obtenu la transmission des phonons à l'interface en utilisant le modèle de mésappariement acoustique (AMM) comme rapport de densité de masse des deux matériaux. Les chercheurs ont capturé les tendances TBC à l'aide d'un modèle simple de flux de chaleur à travers les interfaces développées dans l'étude.

De cette façon, Sam Vaziri et ses collègues ont acquis des connaissances pour réaliser des interfaces thermiques sur mesure au niveau atomique et ont démontré leur potentiel pour concevoir des métamatériaux extrêmement isolants thermiquement. Les métamatériaux nouvellement conçus ont démontré des propriétés sans précédent dans la nature. Les hétérostructures fournissent un exemple dans les domaines émergents de la phononique pour manipuler les propriétés thermiques des solides à des échelles de longueur comparables aux longueurs d'onde des phonons. Les matériaux stratifiés 2D offrent des perspectives prometteuses, écrans thermiques ultralégers et compacts pour éloigner la chaleur des points chauds de l'électronique. L'équipe de recherche envisage de traduire les métamatériaux pour améliorer l'efficacité des récupérateurs d'énergie thermoélectrique et des dispositifs thermiquement actifs tels que les mémoires à changement de phase à l'avenir.

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