В чипах с высокой-мощностью-плотностью и электронных устройствах, соответствующих-закону Мура, способность рассеивания тепла стала решающим фактором, влияющим на надежность устройства. Гетероструктуры Ван-дер-Ваальса, состоящие из двумерных-материалов, с их поддающимися проектированию зонными структурами и превосходными электронными свойствами, считаются важными кандидатами на роль интегрированных устройств следующего-поколения. Однако их применение долгое время ограничивалось недостаточной теплопроводностью на границах раздела. Когда различные двумерные материалы укладываются друг на друга, несоответствие мод вибрации решетки (фононов) приводит к низкой эффективности теплопередачи через интерфейс, при этом типичная межфазная теплопроводность составляет всего порядка ~ 10 МВт·м⁻²·K⁻¹, что недостаточно для удовлетворения требований к рассеиванию тепла высокоинтегрированных устройств. Долгое время в академическом сообществе преобладало мнение, что введение угла закручивания между слоями нарушит симметрию решетки и усилит неупорядоченное рассеяние, тем самым уменьшая межфазную теплопроводность. Следовательно, «скручивание» обычно считалось фактором, подавляющим тепловой перенос.
Однако недавнее исследование группы пересмотрело это понимание. Исследователи построили двухслойные гетероструктуры MoS₂/WS₂ с разными углами закручивания и систематически измеряли их межфазную теплопроводность. Результаты показали, что при увеличении угла закручивания от 0 до 38 градусов межфазная теплопроводность увеличивалась примерно с 12 МВт·м⁻²·K⁻¹ до примерно 30 МВт·м⁻²·K⁻¹, то есть увеличение примерно в 2,5 раза.
Это явление возникает из-за уникального механизма теплового переноса на гетерогенной границе раздела. Исследование показывает, что в теплопроводности через интерфейс MoS₂/WS₂ преобладает неупругое рассеяние фононов. На нескрученной границе раздела неупругое рассеяние уже составляет около 55% межфазной теплопроводности; когда угол закручивания составляет примерно 21,8 градуса, этот вклад увеличивается примерно до 70%. Введение угла закручивания изменяет распределение энергии фононов на границе раздела, позволяя высокочастотным оптическим фононам более эффективно возбуждать акустические фононы на противоположной стороне посредством преобразования частоты, тем самым увеличивая каналы теплопередачи через интерфейс.
Это также объясняет различные эффекты модуляции угла скручивания между однородными и гетерогенными интерфейсами: однородные интерфейсы обычно основаны на упругом рассеянии, а скручивание приводит к дополнительному термическому сопротивлению; тогда как гетерогенные интерфейсы по своей сути зависят от неупругого рассеяния, и скручивание усиливает этот доминирующий механизм, что приводит к усилению теплопроводности.
Что касается экспериментов, команда разработала высококачественный-процесс переноса большой-площади для изготовления структур с контролируемыми углами скручивания в диапазоне от 0 до 60 градусов. Объединив высокопроизводительную-временную-технику картирования термоотражения домена (TDTR) с алгоритмами нейронных сетей, они достигли пространственных статистических измерений межфазного теплового сопротивления, повысив надежность данных.
На основе этих результатов исследовательская группа предложила «теорию-расширенной теории возмущений»: в гетерогенных интерфейсах, где преобладает неупругое рассеяние, введение межфазных возмущений, таких как скручивание, скольжение или рябь, может изменить конфигурацию распределения энергии фононов, тем самым обеспечивая контролируемое увеличение межфазной теплопроводности. Это достижение открывает новую физическую картину терморегулирования интерфейсов в 2D-материалах и предлагает теоретическую основу для проектирования терморегулирования мощных-электронных устройств.