[논문 리뷰] Very High Interfacial Thermal Conductance in Fully hBN-Encapsulated MoS2 van der Waals Heterostructure

Fan Ye, Qingchang Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 10.

Thermal properties of materials참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 완전히 hBN-캡슐화된 반데르발스 이종구조에서 헥사곤형 붕소질화물(hBN)과 단일층 MoS2 사이의 매우 높은 계면 열전도도를 입증한다. 지원된 경우 74 MW/m²K, 휠 수 있는 경우 72 MW/m²K이다. 정교한 광열 라만 분광법과 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 저자들은 hBN 캡슐화가 열을 매우 효율적으로 방출시켜, 다른 기판 위의 MoS2보다 현저히 뛰어난 성능을 발휘함을 밝혔다.

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.

연구 동기 및 목표

• 완전히 hBN-캡슐화된 MoS2 반데르발스 이종구조에서의 열전도성질을 조사하기 위해.
• 2차원 전자소자에서의 열관리 향상을 위해 hBN과 MoS2 사이의 계면 열전도도를 정량화하기 위해.
• 다른 기판 위의 MoS2와 비교하여 hBN-캡슐화된 MoS2의 열전도도를 비교하기 위해.
• 실험 결과를 병행하는 분자 동역학(MD) 시뮬레이션으로 검증하기 위해.
• 광열 라만 기법을 사용하여 횡방향 열전도도와 계면 전도도를 정확하게 校정할 수 있는 방법을 수립하기 위해.

제안 방법

• 다양한 레이저 출력에서 휠 수 있는 및 기판에 고정된 hBN/MoS2/hBN 이종구조에서 온도에 따른 라만 이동을 측정하기 위해 정교한 광열 라만 분광법을 적용하였다.
• 국소 가열에 대한 라만 이동 반응 분석을 통해 hBN 및 MoS2의 횡방향 열전도도를 校정하였다.
• hBN/MoS2 및 MoS2/기판 계면에서의 열저항을 모델링하여 수직 방향 계면 열전도도를 추출하였다.
• 실험적 계면 열전도도 값의 정당성을 확인하기 위해 병행하는 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 실험 데이터와 이론적 모델링을 조합하여 이종구조 내 다양한 계면의 기여도를 분리해내었다.
• 열확산 및 진동자 전도 모델을 기반으로 한 열역학 모델을 적용하여 열자극 하에서의 라만 이동 변화를 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 봉쇄된 이종구조에서 hBN과 MoS2 사이의 계면 열전도도는 얼마인가?
• RQ2 hBN 캡슐화는 MoS2 소자에서 다른 기판과 비교해 열전도성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실험적 광열 라만 측정 결과와 분자 동역학 시뮬레이션 간의 계면 전도도 일치 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 이종구조 구조에서 hBN 및 MoS2의 횡방향 열전도도는 얼마인가?
• RQ5 휠 수 있는 구조와 기판에 고정된 구조 간의 열전도도는 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 기판에 고정된 이종구조에서 hBN과 MoS2 사이의 계면 열전도도는 74 MW/m²K이다.
• 휠 수 있는 이종구조에서 hBN과 MoS2 사이의 계면 열전도도는 72 MW/m²K이다.
• hBN과 MoS2 사이의 측정된 계면 열전도도는 다른 기판 위의 MoS2에서 관측된 값보다 현저히 높다.
• 분자 동역학 시뮬레이션은 높은 계면 열전도도 값을 확인하였으며, 실험 결과와 강한 일치를 보였다.
• 광열 라만 기법을 통해 hBN 및 MoS2의 횡방향 열전도도를 성공적으로 校정하였다.
• 이 연구는 hBN 캡슐화가 2차원 반데르발스 이종구조에서 매우 효율적인 열 방출을 가능하게 하며, 향후 세대 나노전자소자에서의 응용 가능성을 입증하였다.