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Nat. Commun:电驱动的二维异质结构中可逆声子输运调控

电子信息材料及器件  · 公众号  ·  · 2025-02-27 21:46

正文

摘要:

声子输运调控对于多种技术应用至关重要,例如电子设备中的热管理、热电能量转换以及热绝缘。然而,到目前为止,实现声子输运调控的可行方法仍然有限,尤其是在实现可逆调控方面。在此研究中, 通过调节偏置电压来改变声子热导率,从而在单层MoSe₂-WSe₂异质结中实现了声子输运的可逆调控。 在正向偏置下测量的热导率显著低于反向截止时观察到的热导率,且这种效应随着温度的降低而变得更加显著。通过理论建模,并结合器件模拟和第一性原理计算,正向偏置下热导率的降低可以归因于更高的载流子浓度和电子温度。研究结果提供了一种电驱动的声子输运调控方法,为先进半导体技术中的动态和可逆热设计开辟了可能性。

实验方法:

样品制备

研究团队采用大气压化学气相沉积(AP-CVD)方法制备了单层MoSe₂-WSe₂横向异质结构样品。具体步骤如下:

- 异质结构生长:通过AP-CVD方法在衬底上生长单层MoSe₂-WSe₂异质结构,形成具有界面掺杂的高质量异质结。

- 纯材料对比:为了对比分析,还分别通过化学气相沉积(CVD)技术制备了单层纯MoSe₂和单层纯WSe₂样品。

- 传感器制备:在异质结构样品上通过物理气相沉积(PVD)方法沉积了两个厚度为100 nm的金(Au)传感器,传感器设计为H型,用于测量样品的热导率。

- 样品支撑与保护:

- 在纯MoSe₂和纯WSe₂样品上旋涂370 nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜,以提供机械支撑并防止样品损坏。

- 在MoSe₂-WSe₂异质结构下方沉积300 nm厚的二氧化硅(SiO₂)层,以提供必要的支撑。

- 所有样品的硅衬底被深度刻蚀超过2.5 μm,确保传感器悬空,避免硅衬底的热泄漏。

创新点:

1. 实现声子输运的电场可逆调控

- 创新点:研究团队首次通过电场调控实现了二维异质结构(MoSe₂-WSe₂)中声子输运的可逆操纵。以往的研究中,声子输运的调控方法大多不可逆,而本文通过改变偏置电压的方向和大小,实现了对声子输运的动态、可逆调控。

2. 提出基于电场的声子-电子散射调控机制

- 创新点:研究团队通过理论模拟和实验验证,揭示了电场调控声子输运的机制——即通过改变载流子浓度和电子温度来增强声子-电子散射,从而降低热导率。

3. 异质结构中的界面热阻调控

- 创新点:研究团队在实验中考虑了异质结构界面热阻的影响,并通过模拟和实验相结合的方法,分析了界面热阻随温度的变化规律。他们发现界面热阻随温度升高而降低,这一现象在二维异质结构中尚未被充分研究。

4. 二维异质结构的动态热设计可能性







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