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清华团队基于二维面内异质结首次同步实现热/电整流

清华新闻网10月14日电 近日,清华大学航天航空学院张兴教授、王海东副教授课题组与材料学院吕瑞涛副教授课题组合作,首次发现单层二维面内异质结材料可同时具有优异的电、热整流特性,其电整流比可达104,热整流比最高可达96%。新型二维面内异质结器件不仅具有原子厚度、宽带隙、高迁移率的优点,并且在大功率工作条件下,材料热导率沿着特定方向获得显著提升,无需外界冷却装置即可大幅降低高温热点温度和热应力,提升器件性能、延长使用寿命。该发现为研发新一代高性能电子芯片提供了新思路。

该成果于10月14日发表在《科学》(Science期刊上,标题为“单层面内异质结的同步电/热整流”(Simultaneous electrical and thermal rectification in monolayer lateral heterojunction

芯片是我国核心科技的“卡脖子”难题,随着芯片尺寸的逐渐降低,对材料科学和热科学等领域都提出了新的挑战。一方面,传统硅基晶体管的栅极宽度已达到物理极限,需要寻找下一代新型半导体材料进一步提高芯片的集成度。单层过渡金属二硫化物(Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs)材料由于具有原子级厚度和极高的开关比,有望取代硅基材料进一步减小晶体管尺寸;另一方面,芯片的高度集成化会导致局部热流密度大幅上升,散热问题成为阻碍芯片产业发展的关键难题,但由于半导体材料中普遍存在的三声子散射作用,材料热导率随着温度升高而下降,在大功率工作条件下将加速芯片的热失效。

为了解决上述难题,研究团队采用常压化学气相沉积(Atmospheric-Pressure Chemical Vapor Deposition, AP-CVD)方法合成了单层MoSe2-WSe2面内异质结,采用高精度纳米定位和电子束曝光加工技术制备得到了具有不同界面转角的悬架H型电子器件,使用高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)和拉曼光谱扫描方法精确表征了异质结界面的原子结构、形貌、位置和角度(图1)。

图1. 不同界面角度MoSe2-WSe2异质结器件的制备与表征

二维面内异质结器件的测量结果表明,当电子和声子垂直通过异质结界面时,器件具有最高104的电整流比和96%的热整流比(图2)。随着温度升高,正向导通电流和反向截止电流均增大,电整流比降低,而器件的热整流比变化不大;当异质结界面旋转45度时,反向截止电流显著增大,导致器件的电整流比明显下降,同时热整流比也降低至32%;当异质结界面旋转90度,即界面和电子、声子的运动方向平行时,电子和声子输运的不对称性消失,导致器件的电整流和热整流效应同时消失。

图2.MoSe2-WSe2异质结器件的电整流和热整流特性测量

研究团队通过分子动力学模拟揭示了单层MoSe2-WSe2面内二维异质结具有高热整流比的内在机制(图3)。一方面,界面两侧材料的非对称性导致温度梯度转变时界面处的声子态密度重合度存在明显差异,当热量从MoSe2流向WSe2时,声子态密度重合度更大,声子也更容易通过界面;另一方面,二维异质结界面形状的不规则和元素的局部掺杂会导致声子局域化效应,计算结果表明,当温度梯度方向从WSe2到MoSe2时,声子局域化效应更加显著,进一步抑制了该方向的声子输运。在这两个机制的共同作用下,器件具有96%的高热整流比。

图3.MoSe2-WSe2异质结热整流机理揭示

研究团队进一步发现热整流效应将显著提升电子器件在大功率条件下的散热能力。当面内异质结二极管器件处于反向截止状态时,通过器件的电流很小,器件几乎没有温升,热量的传递没有特定方向;而当二极管器件处于正向导通状态时,通过器件的电流随着功率升高而快速增加,从MoSe2到WSe2方向形成明显的温度梯度,该方向的热导率提升96%。材料热导率的增加将显著提升器件的散热性能,实验测量结果显示面内异质结器件可以承受60V的大偏置电压,此时异质结界面温升约为100摄氏度(图4)。

图4. 大偏置电压条件下MoSe2-WSe2异质结器件的界面温升测量

该论文的共同第一作者为清华大学航天航空学院2018级博士生张宇峰、材料学院2018级博士生吕倩。清华大学为论文的第一完成单位和唯一通讯单位,论文通讯作者为清华大学航天航空学院张兴教授、王海东副教授和材料学院吕瑞涛副教授。清华大学物理系熊启华教授和航天航空学院2019级硕士生赵帅伊等为论文作出了重要贡献。

这项研究得到了国家自然科学基金委和国家重点研发计划的资助。

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq0883

供稿:航天航空学院

编辑:李华山

审核:吕婷

2022年10月14日 15:27:28

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