Tim otkriva da uvijanje može značajno povećati toplotnu provodljivost u 2D heterostrukturama

Mar 03, 2026 Ostavi poruku

U čipovima velike -snage-gustine i elektronskim uređajima nakon-Mooreovog zakona, sposobnost disipacije topline postala je kritičan faktor koji utiče na pouzdanost uređaja. Van der Waalsove heterostrukture sastavljene od dvodimenzionalnih materijala, sa svojim dizajniranim trakastim strukturama i odličnim elektronskim svojstvima, smatraju se važnim kandidatskim sistemima za sljedeću-generaciju integrisanih uređaja. Međutim, njihova primena je dugo bila ograničena nedovoljnom toplotnom provodljivošću na interfejsima. Kada su različiti 2D materijali naslagani, neusklađenost u režimima vibracija rešetke (fononi) rezultira niskom efikasnošću toplotnog transporta preko interfejsa, sa tipičnom međufaznom toplotnom provodljivošću koja je samo reda veličine ~10 MW·m⁻²·K⁻¹, što je nedovoljno da ispuni zahteve za disipaciju toplote visoko integrisanih uređaja. Dugo je vremena u akademskoj zajednici prevladavalo uvjerenje da bi uvođenje ugla zaokreta između slojeva poremetilo simetriju rešetke i poboljšalo neuređeno raspršivanje, čime bi se smanjila međufazna toplinska provodljivost. Shodno tome, "uvijanje" se općenito smatralo faktorom koji potiskuje toplinski transport.

640

Međutim, nedavna istraživanja tima su revidirala ovo razumijevanje. Istraživači su konstruisali MoS₂/WS₂ dvoslojne heterostrukture sa različitim uglovima uvijanja i sistematski merili njihovu međufaznu toplotnu provodljivost. Rezultati su pokazali da kako se ugao uvijanja povećao sa 0 stepeni na 38 stepeni, međufazna toplotna provodljivost se povećala sa približno 12 MW·m⁻²·K⁻¹ na približno 30 MW·m⁻²·K⁻¹, što je povećanje od oko 2,5 puta.

 

Ovaj fenomen potiče od jedinstvenog mehanizma toplotnog transporta na heterogenom interfejsu. Studija pokazuje da toplotnom provodljivošću preko MoS₂/WS₂ interfejsa dominira neelastično rasipanje fonona. Na neupletenom sučelju, neelastično raspršivanje već doprinosi oko 55% međufazne toplinske provodljivosti; kada je ugao uvijanja približno 21,8 stepeni, ovaj doprinos se povećava na oko 70%. Uvođenje ugla zaokreta mijenja distribuciju energije fonona na interfejsu, omogućavajući visokofrekventnim optičkim fononima da efikasnije pobuđuju akustične fonone na suprotnoj strani kroz konverziju frekvencije, čime se povećavaju kanali za prijenos topline preko interfejsa.

 

Ovo takođe objašnjava različite efekte modulacije ugla uvijanja između homogenih i heterogenih interfejsa: Homogeni interfejsi se obično oslanjaju na elastično rasipanje, a uvijanje uvodi dodatni toplotni otpor; dok heterogene sučelje inherentno zavise od neelastičnog raspršenja, a uvijanje jača ovaj dominantni mehanizam, što rezultira poboljšanom toplinskom provodljivošću.

640 1

S eksperimentalne strane, tim je uspostavio visoko-kvalitetan,-proces prijenosa velike površine za proizvodnju struktura sa uglovima zakretanja koji se mogu kontrolirati u rasponu od 0 stepeni do 60 stepeni. Kombinacijom tehnike mapiranja termorefleksije (TDTR) u domeni visoke{5}}vremenske propusnosti- sa algoritmima neuronske mreže, postigli su prostorno statističko mjerenje međufaznog toplotnog otpora, povećavajući pouzdanost podataka.

 

Na osnovu ovih nalaza, istraživački tim je predložio "teoriju poboljšane perturbacije{0}": u heterogenim sučeljima u kojima dominira neelastično raspršenje, uvođenje interfacijalnih perturbacija kao što su uvijanje, klizanje ili talasanje može rekonfigurirati distribuciju energije fonona, čime se omogućava međufaktorsko povećanje toplinskog provođenja. Ovo dostignuće pruža novu fizičku sliku za termalno upravljanje interfejsima u 2D materijalima i nudi teorijsku osnovu za dizajn termičkog upravljanja elektronskim uređajima velike{3}}e snage.