Science：清華團隊基于二維異質結首次同步實現電、熱整流

近日，清華大學航天航空學院張興教授、王海東副教授課題組與材料學院呂瑞濤副教授課題組合作，首次發現單層二維面內異質結材料可同時具有優異的電、熱整流特性，其電整流比可達10⁴，熱整流比最高可達96%。新型二維面內異質結器件不僅具有原子厚度、寬帶隙、高遷移率的優點，并且在大功率工作條件下，材料熱導率沿著特定方向獲得顯著提升，無需外界冷卻裝置即可大幅降低高溫熱點溫度和熱應力，提升器件性能、延長使用壽命。該發現為研發新一代高性能電子芯片提供了新思路。相關研究成果發表于最新一期的Science期刊上，論文的共同第一作者為清華大學博士生張宇峰和呂倩，通訊作者為清華大學張興教授、王海東副教授和呂瑞濤副教授。

芯片是我國核心科技的“卡脖子”難題，隨著芯片尺寸的逐漸降低，對材料科學和熱科學等領域都提出了新的挑戰。一方面，傳統硅基晶體管的柵極寬度已達到物理極限，需要尋找下一代新型半導體材料進一步提高芯片的集成度。單層過渡金屬二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs）材料由于具有原子級厚度和極高的開關比，有望取代硅基材料進一步減小晶體管尺寸；另一方面，芯片的高度集成化會導致局部熱流密度大幅上升，散熱問題成為阻礙芯片產業發展的關鍵難題，但由于半導體材料中普遍存在的三聲子散射作用，材料熱導率隨著溫度升高而下降，在大功率工作條件下將加速芯片的熱失效。

為了解決上述難題，研究團隊采用常壓化學氣相沉積（Atmospheric-Pressure Chemical Vapor Deposition, AP-CVD）方法合成了單層MoSe₂-WSe₂面內異質結，采用高精度納米定位和電子束曝光加工技術制備得到了具有不同界面轉角的懸架H型電子器件，使用高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）和拉曼光譜掃描方法精確表征了異質結界面的原子結構、形貌、位置和角度（圖1）。

圖1?不同界面角度MoSe₂-WSe₂異質結器件的制備與表征

二維面內異質結器件的測量結果表明，當電子和聲子垂直通過異質結界面時，器件具有最高10⁴的電整流比和96%的熱整流比（圖2）。隨著溫度升高，正向導通電流和反向截止電流均增大，電整流比降低，而器件的熱整流比變化不大；當異質結界面旋轉45度時，反向截止電流顯著增大，導致器件的電整流比明顯下降，同時熱整流比也降低至32%；當異質結界面旋轉90度，即界面和電子、聲子的運動方向平行時，電子和聲子輸運的不對稱性消失，導致器件的電整流和熱整流效應同時消失。

圖2 MoSe₂-WSe₂異質結器件的電整流和熱整流特性測量

研究團隊通過分子動力學模擬揭示了單層MoSe₂-WSe₂面內二維異質結具有高熱整流比的內在機制（圖3）。一方面，界面兩側材料的非對稱性導致溫度梯度轉變時界面處的聲子態密度重合度存在明顯差異，當熱量從MoSe₂流向WSe₂時，聲子態密度重合度更大，聲子也更容易通過界面；另一方面，二維異質結界面形狀的不規則和元素的局部摻雜會導致聲子局域化效應，計算結果表明，當溫度梯度方向從WSe₂到MoSe₂時，聲子局域化效應更加顯著，進一步抑制了該方向的聲子輸運。在這兩個機制的共同作用下，器件具有96%的高熱整流比。

圖3 MoSe₂-WSe₂異質結熱整流機理揭示

研究團隊進一步發現熱整流效應將顯著提升電子器件在大功率條件下的散熱能力。當面內異質結二極管器件處于反向截止狀態時，通過器件的電流很小，器件幾乎沒有溫升，熱量的傳遞沒有特定方向；而當二極管器件處于正向導通狀態時，通過器件的電流隨著功率升高而快速增加，從MoSe₂到WSe₂方向形成明顯的溫度梯度，該方向的熱導率提升96%。材料熱導率的增加將顯著提升器件的散熱性能，實驗測量結果顯示面內異質結器件可以承受60 V的大偏置電壓，此時異質結界面溫升約為100 °C（圖4）。

圖4 大偏置電壓條件下MoSe₂-WSe₂異質結器件的界面溫升測量

通訊作者簡介

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張興，清華大學航天航空學院工程熱物理所教授、所長，主要從事微納尺度材料熱物性研究及新能源高效利用研究，曾獲教育部自然科學一等獎（2018，2007），國家自然科學二等獎（2011），日本機械學會熱工學“國際成就獎”（2020），國際傳熱傳質中心 “Hartnett-Irvine Award”（2018），亞洲熱物性研究“重大貢獻獎”（2013），日本傳熱學會學術獎（2021，2008）等獎項，發表期刊和國際會議論文400余篇，國際會議特邀報告60余次，負責國家十三五重點研發計劃、國際重大合作項目、863項目、國家重大科研儀器專項、科學儀器專項各1項，國家自然科學基金重點項目3項；連續8次被愛思唯爾評為“中國高被引學者”。擔任中國工程熱物理學會副理事長、傳熱傳質分會主任；中國計量測試學會熱物性專業委員會主任；亞洲熱科學與工程聯合會副理事長、評獎委員會主席和創始會士（Founding Fellow）；國際傳熱傳質中心執行理事和科學理事；國際傳熱大會常務理事會主席等。

王海東，清華大學航天航空學院工程熱物理所副教授，博士生導師，主要從事微納尺度材料熱物性研究和納米功能器件研發，入選國家海外高層次人才引進計劃，曾獲得ASME微納尺度傳熱傳質會議最佳論文獎（2019），日本傳熱學會學術獎（2018），亞洲熱科學及工程聯合會青年科學家獎（2017）等獎項，在納米尺度聲子輸運調控、熱整流效應、生物單分子檢測等領域發表論文40余篇，包括：Science、Nat. Commun.、Commun. Mater.、Carbon、RSC?Adv.、Int. J. Heat Mass Transf.等；石墨烯熱功能器件英文專著1篇；國際會議特邀報告10余次；授權美國發明專利1項、申請（授權）國家發明專利10余項。主持國家自然科學基金項目2項；參與多項國家重大科研儀器專項、原創重大項目等。擔任Energy Storage期刊編委、MDPI?Materials專刊Advances?in Heat Transfer and Property Characterization of Nano Materials特邀編輯、熱物理學報青年編委、Int. J. Heat Mass Transf.期刊編輯助理、國際微納尺度傳熱會議、國際傳熱大會、亞洲熱物性大會分會主席等職務。

呂瑞濤，清華大學材料學院長聘副教授，博士生導師，主要從事碳基低維材料缺陷設計及性能調控研究，側重于晶格缺陷（摻雜原子、空位、界面等）的可控構筑、原子級構型解析以及在高效能源存儲/轉換器件、超靈敏分子探測、高性能催化等領域的應用性能研究。撰寫英文學術專著3章，中文專著1章；在PNAS、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等期刊發表論文150余篇；申請（授權）發明專利28項。主持完成/在研國家自然科學基金項目4項，中國航空工業集團公司委托項目2項；作為課題負責人承擔國家重點研發計劃項目1項，作為骨干完成國家重大科學研究計劃項目2項。受邀在世界碳材料年度大會等國內外重要學術會議上作大會報告/特邀報告40余次，擔任第四/五/六/八屆國際石墨烯高峰論壇（深圳）“二維材料”分會主席。擔任Carbon Letters（Springer Nature）期刊Associate Editor，SmartMat（Wiley）期刊青年編委；Materials, ES Energy and Environment等期刊編委。

參考文獻：

Zhang Y. F. et al. Simultaneous electrical and thermal rectification in a monolayer lateral heterojunction. Science (2022).

DOI: 10.1126/science.abq0883

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