芯片尺寸的不断减小也对热科学提出了巨大寻衅。芯片的小型化和高度集成化，会导致局部热流密度大幅上升。可以说，散热问题已经成为阻碍芯片家当发展的关键难题，对付高功率芯片更是如此。
热导率是材料的一种性子，决定了材料的散热性能。由于半导体材料中普遍存在的三声子散射浸染，材料热导率随着温度升高而低落，这意味着在大功率、高温升的事情条件会加速芯片的热失落效。
综合上述剖析可以创造，想要办理芯片“卡脖子”难题，须要探求一种新型半导体材料，其不仅得具有原子级厚度的 p-n 结，还要具有热导率随温度正干系的性子。
为理解决上述难题，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开展了跨学科密切互助，基于吕瑞涛课题组在低维材料毛病调控研究和张兴教授课题组在微纳米材料热物性研究方面的深厚积累，成功制备出一种面内二维异质结材料，进而设计和构建了能够同步实现热/电整流的高性能器件。
图 | 张兴（来源：课题组）
该团队表示：“我们的这一创造有望进一步延续摩尔定律，为研发新一代高性能电子芯片供应思路。”
图 | 王海东（来源：王海东）
据悉，这种材料具有原子级厚度、天然 p-n 结、电子带隙可调等诸多优点。通过器件制备，他们在二硒化钼-二硒化钨（MoSe2-WSe2）面内二维异质结材料中，首次实现了同步电和热整流，其电整流比可达 104，热整流比最高可达 96%。这种高的热整流比归因于异质结界面两侧异种材料的声子态密度重合度存在明显差异以及不规则的界面描述和元素的局部掺杂引起的声子局域化效应。
图 | 吕瑞涛（来源：清华大学材料学院）
这种新型的二维整流器件具有本征的电二极管特性，可在原子厚度的材料中实现面向电流的单引导通。
此外，所制备的异质结器件，还具有耐电压强度高、便于集成等优点。尤其在大功率事情条件下，当沿着特定方向时，材料热导率将得到显著提升。无需外界冷却装置，即可大幅降落器件局部的高温热点温度、以及热应力，从而提升器件性能、延长利用寿命。
（来源：Science）
这种二维异质结材料拥有原子级厚度和界面宽度、电整流开关频年夜、热整流效果显著，因此最直接的用场便是用于新型电子芯片的设计和开拓。
其次，这种二维异质结是目前已知的室温下热整流比最高的纳米材料，这意味着可以设计和勾引热量沿着特定的方向进行传输，因此是一种十分具有吸引力的热学材料。
要知道，电子可以轻易地通过施加外电场，来掌握其运动方向。但是，想对热的载流子“声子”进行调控却要困难得多。一样平常来说，热量仅从高温向低温传导，通过材料的构造和物性进行热调控的手段很有限。
研究职员在实验中创造，面内二维异质结材料具有范例的“热二极管”特性，其分外的不对称声子频谱和界面散射性子，使得沿某个特定方向的热导率显著提高，从而热量会优先沿着热导率高的方向进行传输。
因此，这种热二极管器件在许多领域中都有主要的运用前景，它许可热量沿着特定方向通报。同时，当周围温度过高时，可以对热敏感元件进行保护。
最范例的例子是在散热领域，可以通过主动设计高导热路径，提高特定方向的材料热导率，从而帮助热量沿着规定的方向迅速传导。
同时，相反方向的热导率低还能阻隔外界热量进入内部，从而将电子器件的温度稳定掌握在空想的温度范围内。
而且，热整流在生物领域也有很大用途，生物细胞的尺寸常日很小，且对温度很敏感。而在纳米尺度下，异质结材料可以保护生物样品免受外部热源的影响，坚持生物样品的稳定性。
其余还有一个十分新颖的观点——“声子打算机”，即将声子作为信息的载体，通过热三极管实现“0”和“1”状态的切换。
如能实现，声子打算机将大大降落传统打算所须要的能耗。但是，想要付诸实现还须要很多努力，比如探求热整流比更高的非线性材料等。
（来源：Science）
缘何被 Science 看中？
理论打算事情表明二维异质结的界面对于两侧异种材料中的电子输运和声子散射将具有主要的影响，但由于二维面内异质结材料的界面可控合成仍面临巨大的寻衅，使得其热学性子目前还鲜有宣布，该团队在国际上首次合成出锯齿状界面的 MoSe2-WSe2 面内异质结，并首次通过实验丈量得到了其热导率结果。
这两个“首次”来得实属不易，缘故原由在于样品的合成以及后续的器件加工和实验丈量的难度很大：
首先，针对二维面内异质结材料的界面可控合成面临的寻衅，吕瑞涛课题组通过引入 Au 勾引了 Mo 原子和 W 原子在边缘位 Se 原子上的竞争性吸附，原位实现了 MoSe2 和 WSe2 成长的分离，同时降落了晶体的形核能垒，促进其沿不同方向的扩披发展，从而首次成功制备了锯齿状界面的单层 MoSe2-WSe2 面内异质结。
为了后续器件加工，如何将异质结样品无损转移到新的基底材料上是另一个要面对的难题。不同于单相二维材料，异质结样品转移时其原子级界面处极易发生破损，会严重影响后续测试结果。经由大量探索，通过掌握刻蚀速率成功实现了二维面内异质结样品的无损转移。
“我们在二维面内异质结材料的可控合成和样品转移方面付出了大量艰辛努力，办理了材料界面两侧声子局域化效应差异小和样品无损转移等一系列难题，吕倩同学为了这项研究有两个春节都放弃了回家而留在实验室连续事情”，吕瑞涛指出。
其次，在后续的器件加工和实验丈量中，一方面，器件制备须要担保异质结的界面精准位于仅有微米宽度的两个金属传感器中间，并且须要加工出悬架的器件构造以担保热丈量的准确性，这对材料质量和尺寸、器件加工工艺等都提出了很高的哀求。
另一方面，纳米尺度的热导率丈量很有寻衅性，在丈量过程中须要对纳米宽度的悬架金属传感器做以通电丈量，微弱的电学扰动就会导致传感器被烧断。丈量过程中，必须得具备较多履历和技巧的研究者参与。
“得益于我们课题组在纳米器件加工和传热丈量领域多年来的探索和积累，终极成功完成了二维异质结材料的热、电综合丈量。”王海东表示。
此外，这也是国际上首次在二维纳米材料中创造同步热、电整流这一物理征象。基于这一征象，该团队实现了纳米半导体材料热导率在高温条件下的提升，这是一个很大的打破，意味着电子器件可以在大功率事情状态下拥有更加精良的散热特性。
详细来说，在大功率条件下，研究团队对二维异质结器件的事情性能做以实测，创造该器件在 60V 以上的大偏置电压条件下，依然可以稳定事情。
此时，异质结界面的最高温升约为 100℃，明显低于没有热整流时的理论预测值。以上，均解释该研究的主要代价。
近日，干系论文以《单层横向异质结中同时进行电和热整流》（Simultaneous electrical and thermal rectification in monolayer lateral heterojunction）为题揭橥在 Science 上 [1]。
图 | 干系论文（来源：Science）
清华大学航天航空学院 2018 级博士生张宇峰、材料学院 2018 级博士生吕倩是共同第一作者，张兴教授、王海东副教授和吕瑞涛副教授担当共同通讯作者。
图 | 张兴和王海东（来源：课题组）
图 | 吕瑞涛和博士生吕倩（来源：清华大学材料学院）
据悉，第一位审稿人充分肯定了该事情的主要性，认为高质量面内 2D 异质结的成长非常困难，实验结果对付大电压事情条件下的电子芯片热管理，具有十分主要的意义；第二位审稿人以为该研究十分新颖，并且具有实用代价；第三位审稿人表示该团队在异质结中创造的热整流征象令人振奋，但是建议他们深入阐发热整流的物理机制，补充更多的丈量结果。
“审稿人的鼓励和建议帮助我们进一步补充和完善了事情，深刻理解了面内二维异质结不对称的声子频谱特性和界面散射对热整流的影响机制，使整体论文水平提升到了新高度，”王海东表示。在进一步修正之后，论文顺利揭橥在 Science 上。
（来源：Science）
曾烧断多个样品，多学科帮忙占领难题
清华大学材料学院吕瑞涛课题组长期从事低维材料的毛病调控及功能创制干系的根本研究事情，清华大学航天航空学院张兴教授课题组在微纳米材料热物性研究方面有非常深厚的积累，得益于两个课题组之间的学科交叉互补和密切互助，才匆匆成了同步实现热/电整流研究方面的重大打破。
据先容，经由大量实验探索并成功合成二维面内异质结材料之后， “根据之前的研究根本和实际履历，我们敏锐地想到这种异质结材料在热整流方面该当具有很大潜力，并且有望实现热、电的同步整流，而这一点因此往事情尚未涉及的，可以填补现有事情的空缺，” 吕瑞涛和王海东表示。
通过文献调研和仿照打算，初步验证了上述猜想。之后，他们便动手开始设计丈量器件、搭建实验系统、开展分子动力学打算剖析。
器件的制备和纳米尺度的热学实验丈量非常繁芜，须要细致的实验设计和风雅的操作技能，大家在实验中也碰着了很多困难。不过基于已有的履历积累，末了都逐一战胜。
为了保障热学丈量的灵敏度，课题组设计的金传感器宽度只有 600 纳米、长度约 15 微米，悬架的纳米传感器十分薄弱，实验过程中一点眇小的电学扰动就可能让它烧断。
在实验初期烧断了好几个样品，大部分都是由于环境中眇小的静电、以及电路中的脉冲滋扰。这个问题很难避免，也让大家感到非常沮丧。
后来，通过不断改进电学测试方法，仔细检讨测试系统中的每个细节，同时提升整体丈量系统的电学稳定性，末了很好地办理了纳米传感器随意马虎烧断的难题，担保了后续实验的进行。
“末了，当成功看到热整流效应的时候我们很激动。无需繁琐的数据处理，从原始数据中就可以清楚地看到不同导热方向的热导率差异，完美验证了我们最初的实验设想，”王海东说。
另据悉，最初该团队只做了异质结界面与热流方向垂直的实验。当拿着最初的实验结果与清华物理系熊启华教授互换谈论时，对方敏锐地提出一个关键问题：不同的界面角度对热整流的影响能够定量剖析吗？
这个问题给予他们很大的启示，后来课题组制备了不同界面角度的异质结样品，经由大量的实验丈量和剖析，验证了异质结界面角度对热整流征象的影响，进一步完善了实验内容，提升了整体事情的水平。
（来源：Science）
不过，这项事情更像是一个“很好的开端”，他们想做的研究内容还有很多。对付这次事情中的异质结体系，课题组创造在正向偏置电压下，电子与声子的输运方向相同。
但是，由于这种材料在室温下的电子热导率很小，因此热量的输运紧张由声子主导。
如能提升材料中电子对导热的贡献，那么将有可能进一步提升热整流系数。在这种情形下，电子-声子的耦合浸染将不可忽略，如果可以通过实验对其进行定量表征，那将是一个很大的打破。
此外，材料的热整流特性，给热量的主动调控供应了一个有效路子。后续，研究职员将进一步开拓主动热调控器件和装置，以在电子芯片热设计和热管理方面做出更多贡献。
参考资料：
1.Zhang, Y., Lv, Q., Wang, H., Zhao, S., Xiong, Q., Lv, R., & Zhang, X. (2022). Simultaneous electrical and thermal rectification in a monolayer lateral heterojunction. Science, 378(6616), 169-175.
