[論文レビュー] Measurement of lateral and interfacial thermal conductivity of single- and bi-layer MoS2 and MoSe2 using refined optothermal Raman technique

Xian Zhang, Dezheng Sun+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2015

2D Materials and ApplicationsMaterials Science参考文献 30被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、単層およびバイレイヤーMoS2およびMoSe2における横方向および界面熱伝導率を測定するために、洗練された光熱ラーマン技術を導入する。光学吸収測定の改善と、支持された試料とアンダーレイド試料の比較による界面熱伝導率と横方向熱伝導率の独立的評価により、室温における横方向熱伝導率は1L MoS2で84±17 W/mK、1L MoSe2で59±18 W/mKであると報告されている。界面熱伝導率は0.1–1 MW/m²Kのオーダーであり、以前の推定値と比べて顕著に低い。

ABSTRACT

Atomically thin materials such as graphene and semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDCs) have attracted extensive interest in recent years, motivating investigation into multiple properties. In this work, we demonstrate a refined version of the optothermal Raman technique to measure the thermal transport properties of two TMDC materials, MoS2 and MoSe2, in single-layer (1L) and bi-layer (2L) forms. This new version incorporates two crucial improvements over previous implementations. First, we utilize more direct measurements of the optical absorption of the suspended samples under study and find values ~40% lower than previously assumed. Second, by comparing the response of fully supported and suspended samples using different laser spot sizes, we are able to independently measure the interfacial thermal conductance to the substrate and the lateral thermal conductivity of the supported and suspended materials. The approach is validated by examining the response of a suspended film illuminated in different radial positions. For 1L MoS2 and MoSe2, the room-temperature thermal conductivities are (84+/-17) W/mK and (59+/-18) W/mK, respectively. For 2L MoS2 and MoSe2, we obtain values of (77+/-25) W/mK and (42+/-13) W/mK. Crucially, the interfacial thermal conductance is found to be of order 0.1-1 MW/m2K, substantially smaller than previously assumed, a finding that has important implications for design and modeling of electronic devices.

研究の動機と目的

• 単層およびバイレイヤーMoS2およびMoSe2における横方向熱伝導率を正確に測定すること。
• 2次元材料と基板間の界面熱伝導率を、より高い精度で特定すること。
• 光学吸収の仮定誤差が2次元材料の熱伝導率測定に与える影響を是正することにより、従来の測定値の不一致を解消すること。
• アンダーレイド試料における径方向照射応答を用いて、手法の妥当性を検証すること。
• 2次元半導体ヘテロ構造のデバイス設計およびモデリングに役立つ信頼性の高い熱輸送パラメータを提供すること。

提案手法

• レーザー加熱とラーマンシフトのモニタリングを用いて温度上昇を推定する、洗練された光熱ラーマン法を採用する。
• アンダーレイド試料の光学吸収を直接測定し、従来の仮定と比較して約40%低い値が得られた。
• 完全に支持された試料とアンダーレイド試料の温度応答を比較することで、界面熱伝導率と横方向熱伝導率を独立して抽出可能である。
• 基板と2次元材料の熱輸送寄与を分離するために、異なるレーザースポットサイズを用いる。
• アンダーレイド膜における径方向照射により、手法の整合性と空間分解能を検証する。
• 熱境界抵抗を考慮に入れることで、2次元ファンデルワールスヘテロ構造における熱輸送の定量的分析が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温における単層およびバイレイヤーMoS2およびMoSe2の真の横方向熱伝導率は何か？
• RQ2 2次元材料と基板間の界面熱伝導率は、従来報告された値と比べてどのように異なるか？
• RQ3 光学吸収の仮定誤差が2次元材料の熱伝導率測定に与える影響はどの程度か？
• RQ4 洗練された光熱ラーマン法は、界面熱伝導率と横方向熱伝導率を独立して解明できるか？
• RQ5 単層およびバイレイヤー形態におけるMoS2とMoSe2の熱輸送特性にはどのような違いがあるか？

主な発見

• 室温における単層MoS2の横方向熱伝導率は(84±17) W/mKとして測定された。
• 室温における単層MoSe2の横方向熱伝導率は(59±18) W/mKである。
• バイレイヤーMoS2では、横方向熱伝導率が(77±25) W/mKであり、単層の場合と比較してわずかに低下している。
• バイレイヤーMoSe2の横方向熱伝導率は(42±13) W/mKであり、MoS2と比較して厚さ依存性が顕著に強いことが示された。
• 2次元材料と基板間の界面熱伝導率は0.1–1 MW/m²Kのオーダーであり、従来の推定値と比べて顕著に低いことが判明した。
• 光学吸収の直接測定により、従来の仮定と比較して約40%低い値が得られ、従来の熱伝導率測定における主要な誤差要因が是正された。