[論文レビュー] Very High Interfacial Thermal Conductance in Fully hBN-Encapsulated MoS2 van der Waals Heterostructure

Fan Ye, Qingchang Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2021

Thermal properties of materials参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、完全にhBNでカプセル化されたvan der Waalsヘテロ構造における、六方晶窒化ホウ素（hBN）とモノレイヤーMoS2の界面における、74 MW/m²K（支持状態）および72 MW/m²K（スルーレイ）という非常に高い界面熱伝導率を実証した。洗練された光熱ラーマン分光法と分子動力学シミュレーションを用いて、hBNカプセル化が、他の基板上に置かれたMoS2と比較して顕著に優れた熱放出を可能にしていることが明らかになった。

ABSTRACT

We report experimental and computational studies of thermal transport properties in hexagonal boron nitride (hBN) encapsulated molybdenum disulfide (MoS2) structure using refined optothermal Raman techniques, and reveal very high interfacial thermal conductance between hBN and MoS2. By studying the Raman shift of hBN and MoS2 in suspended and substrate-supported thin films under varying laser power and temperature, we calibrate lateral (in-plane) thermal conductivity of hBN and MoS2 and the vertical interfacial thermal conductance in the hBN/MoS2/hBN heterostructure as well as the interfaces between heterostructure and substrate. Crucially, we have found that interfacial thermal conductance between hBN and encapsulated MoS2 is 74MW/m2K and 72MW/m2K in supported and suspended films, respectively, which are significantly higher than interfacial thermal conductance between MoS2 and other substrates. Molecular dynamics (MD) computations conducted in parallel have shown consistent results. This work provides clear evidence of significantly efficient heat dissipation in hBN/MoS2/hBN heterostructures and sheds light on building novel hBN encapsulated nanoelectronics with efficient thermal management.

研究の動機と目的

• 完全にhBNでカプセル化されたMoS2のvan der Waalsヘテロ構造における熱輸送特性を調査すること。
• 2次元エレクトロニクスにおける熱管理の向上を目的として、hBNとMoS2の界面における熱伝導率を定量すること。
• 他の基板上に配置されたMoS2と比較して、hBNカプセル化されたMoS2の熱伝導率を比較すること。
• 実験的結果を並列で実施した分子動力学（MD）シミュレーションで検証すること。
• optothermalラーマン技術を用いて、横方向熱伝導率および界面熱伝導率の信頼性の高いキャリブレーション手法を確立すること。

提案手法

• 異なるレーザー出力下で、スルーレイ状態および基板支持状態のhBN/MoS2/hBNヘテロ構造における温度依存ラーマンシフトを測定するために、洗練されたoptothermalラーマン分光法を採用した。
• 局所加熱に対するラーマンシフト応答を分析することで、hBNおよびMoS2の横方向熱伝導率をキャリブレーションした。
• hBN/MoS2およびMoS2/基板界面における熱抵抗をモデル化することで、垂直方向の界面熱伝導率を抽出した。
• 実験的界面熱伝導率値の妥当性を検証するために、並列で分子動力学（MD）シミュレーションを実施した。
• 実験データと理論的モデリングを組み合わせて、ヘテロ構造内の異なる界面からの寄与を分離した。
• 熱拡散およびフォノン輸送に基づく熱的モデルを適用し、熱励起下でのラーマンシフト変化を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全にカプセル化されたヘテロ構造におけるhBNとMoS2の界面熱伝導率はどの程度か？
• RQ2 hBNカプセル化は、MoS2デバイスにおいて他の基板と比較して熱輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ3 実験的optothermalラーマン測定値と分子動力学シミュレーションによる界面熱伝導率の一致度はどの程度か？
• RQ4 ヘテロ構造構成におけるhBNおよびMoS2の横方向熱伝導率はどの程度か？
• RQ5 スルーレイ状態と基板支持状態の間で熱伝導率はどのように変化するか？

主な発見

• 基板支持状態のヘテロ構造におけるhBNとMoS2の界面熱伝導率は74 MW/m²Kであった。
• スルーレイ状態のヘテロ構造におけるhBNとMoS2の界面熱伝導率は72 MW/m²Kであった。
• hBNとMoS2の界面熱伝導率は、他の基板上に配置されたMoS2と比較して顕著に高いことが測定された。
• 分子動力学シミュレーションにより、高い界面熱伝導率値が確認され、実験結果と強い一致を示した。
• optothermalラーマン技術を用いて、hBNおよびMoS2の横方向熱伝導率が成功裏にキャリブレーションされた。
• 本研究では、hBNカプセル化が2次元van der Waalsヘテロ構造における熱放出を極めて効率的に行うことを示し、次世代ナノエレクトロニクスへの応用が可能であることを示した。