[논문 리뷰] Measurement of lateral and interfacial thermal conductivity of single- and bi-layer MoS2 and MoSe2 using refined optothermal Raman technique

Xian Zhang, Dezheng Sun외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 23.

2D Materials and ApplicationsMaterials Science참고 문헌 30인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 단일 및 이중층 MoS2와 MoSe2에서의 수평 및 계면 열전도도를 측정하기 위해 개선된 옵토토퍼럴 라만 기술을 도입한다. 광학적 흡수 측정을 향상시키고, 지지체와의 비교를 통해 고체 기질의 계면 열전도도와 수평 열전도도를 별도로 정량화함으로써, 저자들은 실온에서 단일층 MoS2의 수평 열전도도를 (84±17) W/mK, 단일층 MoSe2의 경우 (59±18) W/mK로 보고한다. 계면 열전도도는 0.1–1 MW/m²K 수준으로, 이전에 가정된 바보다 현저히 낮다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 및 이중층 MoS2와 MoSe2에서의 수평 열전도도를 정확하게 측정하는 것.
• 2차원 재료와 기질 간의 계면 열전도도를 향상된 정밀도로 결정하는 것.
• 광학적 흡수 추정치의 오류로 인해 발생하는 이전 측정치 간의 괴리 문제를 해결하기 위해 광학적 흡수 추정치를 개선하는 것.
• 매달린 샘플에 대한 반경 방향 조명 반응을 통해 방법의 타당성을 검증하는 것.
• 2차원 반도체 이종구조의 장치 설계 및 모델링를 위한 신뢰할 수 있는 열전달 매개변수를 제공하는 것.

제안 방법

• 레이저 가열과 라만 시프트 모니터링을 통해 온도 상승을 유추하는 개선된 옵토토퍼럴 라만 기술을 사용한다.
• 매달린 샘플의 광학적 흡수를 직접 측정하여 이전에 가정된 값보다 약 40% 낮은 값을 얻는다.
• 완전히 지지된 샘플과 매달린 샘플 간의 온도 반응 비교를 통해 계면 열전도도와 수평 열전도도를 별도로 추출할 수 있다.
• 기질과 2차원 재료의 열전달 기여도를 분리하기 위해 다양한 레이저 스포트 크기를 사용한다.
• 매달린 필름에 대한 반경 방향 조명은 방법의 일관성과 공간 해상도를 검증한다.
• 이 방법은 열경계 저항을 고려하여 2차원 반데르발스 이종구조에서의 열전달을 정량적으로 분석할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 단일 및 이중층 MoS2와 MoSe2의 진정된 수평 열전도도는 얼마인가?
• RQ2 2차원 재료와 기질 간의 계면 열전도도는 이전에 보고된 값과 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ3 광학적 흡수 추정치의 오류가 2차원 재료의 열전도도 측정에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 개선된 옵토토퍼럴 라만 방법은 계면 열전도도와 수평 열전도도를 별도로 해결할 수 있는가?
• RQ5 MoS2와 MoSe2의 단일 및 이중층에서 열전달은 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 실온에서 단일층 MoS2의 수평 열전도도는 (84±17) W/mK로 측정되었다.
• 실온에서 단일층 MoSe2의 수평 열전도도는 (59±18) W/mK이다.
• 이중층 MoS2의 수평 열전도도는 (77±25) W/mK로, 단일층 경우보다 약간 감소한 것으로 나타났다.
• 이중층 MoSe2는 (42±13) W/mK의 수평 열전도도를 보이며, MoS2보다 두께 의존성이 더 강한 것으로 나타났다.
• 2차원 재료와 기질 간의 계면 열전도도는 0.1–1 MW/m²K 수준으로 측정되었으며, 이는 이전 추정치보다 현저히 낮다.
• 광학적 흡수를 직접 측정한 결과, 이전 가정된 값보다 약 40% 낮은 값을 확인하여, 이전 열전도도 측정치의 주요 오류 원인을 수정하였다.