[论文解读] 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 22

一句话总结

本研究提出一种改进的光热拉曼技术，用于测量单层和双层MoS2及MoSe2的横向和界面热导率。通过改进光学吸收测量，并利用支撑与悬空样品的对比，独立量化基底界面热导率和横向热导率，作者报告了室温下单层MoS2的横向热导率为84±17 W/mK，单层MoSe2为59±18 W/mK，界面热导率约为0.1–1 MW/m²K，显著低于以往假设的数值。

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.

研究动机与目标

• 准确测量单层和双层MoS2及MoSe2的横向热导率。
• 以更高精度确定二维材料与基底之间的界面热导率。
• 通过改进光学吸收估算，解决先前热导率测量中的差异问题。
• 通过悬空样品的径向照射响应验证该方法。
• 为二维半导体异质结构的器件设计与建模提供可靠的热传输参数。

提出的方法

• 采用改进的光热拉曼技术，通过激光加热和拉曼位移监测推断温升。
• 直接测量悬空样品的光学吸收，获得的值比以往假设低约40%。
• 通过完全支撑与悬空样品的温升响应对比，独立提取界面热导率和横向热导率。
• 使用不同激光光斑尺寸，以分离基底与二维材料的热传输贡献。
• 对悬空薄膜进行径向照射验证了该方法的一致性和空间分辨率。
• 该方法考虑了界面热阻，实现了对二维范德华异质结构中热传输的定量分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层和双层MoS2及MoSe2在室温下的真实横向热导率是多少？
• RQ2 二维材料与基底之间的界面热导率与以往报告的数值相比如何？
• RQ3 光学吸收假设中的误差在多大程度上影响了二维材料热导率的测量？
• RQ4 改进的光热拉曼方法能否独立解析界面热导率和横向热导率？
• RQ5 MoS2和MoSe2在单层和双层形式下的热传输特性有何差异？

主要发现

• 单层MoS2在室温下的横向热导率为(84±17) W/mK。
• 单层MoSe2在室温下的横向热导率为(59±18) W/mK。
• 对于双层MoS2，其横向热导率为(77±25) W/mK，相较于单层略有降低。
• 双层MoSe2的横向热导率为(42±13) W/mK，表明其厚度依赖性强于MoS2。
• 二维材料与基底之间的界面热导率约为0.1–1 MW/m²K，显著低于早期估计值。
• 直接测量光学吸收发现其值比以往假设低约40%，纠正了先前热导率测量中的主要误差来源。