[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过改进的光热拉曼光谱法与分子动力学模拟，揭示了在完全由六方氮化硼（hBN）封装的范德华异质结中，hBN与单层MoS2之间具有极高的界面热导率，分别为74 MW/m²K（支撑结构）和72 MW/m²K（悬空结构）。结果表明，hBN封装可实现高效的热耗散，显著优于MoS2在其他衬底上的表现。

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.

研究动机与目标

• 研究完全hBN封装的MoS2范德华异质结中的热输运特性。
• 量化hBN与MoS2之间的界面热导率，以优化二维电子器件的热管理。
• 比较hBN封装MoS2与MoS2在其他衬底上的热导率差异。
• 通过并行分子动力学（MD）模拟验证实验结果。
• 建立基于光热拉曼技术的横向热导率与界面热导率的可靠标定方法。

提出的方法

• 采用改进的光热拉曼光谱法，测量在不同激光功率下，悬空与衬底支撑的hBN/MoS2/hBN异质结的温度依赖性拉曼位移。
• 通过分析局域加热引起的拉曼位移响应，对标定hBN与MoS2的横向热导率。
• 通过建模hBN/MoS2与MoS2/衬底界面的热阻，提取垂直方向的界面热导率。
• 开展并行分子动力学（MD）模拟，以验证实验测得的界面热导率数值。
• 结合实验数据与理论建模，分离异质结构中不同界面的热贡献。
• 采用基于热扩散与声子输运的热模型，解释热激发下拉曼位移的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在完全封装的异质结中，hBN与MoS2之间的界面热导率是多少？
• RQ2 与其它衬底相比，hBN封装如何影响MoS2器件中的热输运性能？
• RQ3 实验测得的光热拉曼测量结果与分子动力学模拟在界面热导率方面的一致性如何？
• RQ4 在异质结构型中，hBN与MoS2的横向热导率是多少？
• RQ5 在悬空与衬底支撑构型之间，热导率有何差异？

主要发现

• 在衬底支撑的异质结中，hBN与MoS2之间的界面热导率为74 MW/m²K。
• 在悬空的异质结中，hBN与MoS2之间的界面热导率为72 MW/m²K。
• hBN与MoS2之间的界面热导率显著高于MoS2在其他衬底上的测量值。
• 分子动力学模拟确认了高界面热导率的数值，与实验结果高度一致。
• 通过光热拉曼技术成功标定了hBN与MoS2的横向热导率。
• 本研究证明，hBN封装可显著提升二维范德华异质结中的热耗散效率，支持其在下一代纳米电子器件中的应用。