同城58网 科技 清华制备出目前室温下热整流比最高的纳米材料,对高功率芯片散热具有重要意义

清华制备出目前室温下热整流比最高的纳米材料,对高功率芯片散热具有重要意义

2022 年,三星电子和台积电均已宣布 3 纳米芯片的量产。但是近十年来,芯片的发展速度明显放缓,3 纳米也已经接近半导体硅栅极长度的理论极限,现有的硅基半导体材料已经很难进一步通过减小尺寸来提高芯片性能,因此有必要去寻找下一代新型半导体材料。

芯片尺寸的不断减小也对热科学提出了巨大挑战。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产业发展的关键难题,对于高功率芯片更是如此。

热导率是材料的一种性质,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作用,材料热导率随着温度升高而下降,这意味着在大功率、高温升的工作条件会加速芯片的热失效。

综合上述分析可以发现,想要解决芯片“卡脖子”难题,需要寻找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相关的性质。

为了解决上述难题,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合作,基于吕瑞涛课题组在低维材料缺陷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:“我们的这一发现有望进一步延续摩尔定律,为研发新一代高性能电子芯片提供思路。”

图 | 张兴(来源:课题组)

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形貌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向导通。

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。尤其在大功率工作条件下,当沿着特定方向时,材料热导率将获得显著提升。无需外界冷却装置,即可大幅降低器件局部的高温热点温度、以及热应力,从而提升器件性能、延长使用寿命。

(来源:Science)

这种二维异质结材料拥有原子级厚度和界面宽度、电整流开关比大、热整流效果显著,因此最直接的用途便是用于新型电子芯片的设计和开发。

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引导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,来控制其运动方向。但是,想对热的载流子“声子”进行调控却要困难得多。一般来说,热量仅从高温向低温传导,通过材料的结构和物性进行热调控的手段很有限。

研究人员在实验中发现,面内二维异质结材料具有典型的“热二极管”特性,其特殊的不对称声子频谱和界面散射性质,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重要的应用前景,它允许热量沿着特定方向传递。同时,当周围温度过高时,可以对热敏感元件进行保护。

最典型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控制在理想的温度范围内。

而且,热整流在生物领域也有很大用处,生物细胞的尺寸通常很小,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,维持生物样品的稳定性。

另外还有一个十分新颖的概念——“声子计算机”,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,声子计算机将大大降低传统计算所需要的能耗。但是,想要付诸实现还需要很多努力,比如寻找热整流比更高的非线性材料等。

(来源:Science)

缘何被 Science 看中?

理论计算工作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重要的影响,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挑战,使得其热学性质目前还鲜有报道,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,并首次通过实验测量得到了其热导率结果。

这两个“首次”来得实属不易,原因在于样品的合成以及后续的器件加工和实验测量的难度很大:

首先,针对二维面内异质结材料的界面可控合成面临的挑战,吕瑞涛课题组通过引入 Au 诱导了 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 生长的分离,同时降低了晶体的形核能垒,促进其沿不同方向的扩散生长,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。经过大量探索,通过控制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,解决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继续工作”,吕瑞涛指出。

其次,在后续的器件加工和实验测量中,一方面,器件制备需要保证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,并且需要加工出悬架的器件结构以保证热测量的准确性,这对材料质量和尺寸、器件加工工艺等都提出了很高的要求。

另一方面,纳米尺度的热导率测量很有挑战性,在测量过程中需要对纳米宽度的悬架金属传感器做以通电测量,微弱的电学扰动就会导致传感器被烧断。测量过程中,必须得具备较多经验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测量领域多年来的探索和积累,最终成功完成了二维异质结材料的热、电综合测量。”王海东表示。

此外,这也是国际上首次在二维纳米材料中发现同步热、电整流这一物理现象。基于这一现象,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,这是一个很大的突破,意味着电子器件可以在大功率工作状态下拥有更加优异的散热特性。

具体来说,在大功率条件下,研究团队对二维异质结器件的工作性能做以实测,发现该器件在 60V 以上的大偏置电压条件下,依然可以稳定工作。

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,均说明该研究的重要价值。

近日,相关论文以《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)为题发表在 Science 上 [1]。

图 | 相关论文(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任共同通讯作者。

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工作的重要性,认为高质量面内 2D 异质结的生长非常困难,实验结果对于大电压工作条件下的电子芯片热管理,具有十分重要的意义;第二位审稿人觉得该研究十分新颖,并且具有实用价值;第三位审稿人表示该团队在异质结中发现的热整流现象令人振奋,但是建议他们深入剖析热整流的物理机制,补充更多的测量结果。

“审稿人的鼓励和建议帮助我们进一步补充和完善了工作,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。在进一步修改之后,论文顺利发表在 Science 上。

(来源:Science)

曾烧断多个样品,多学科协助攻克难题

清华大学材料学院吕瑞涛课题组长期从事低维材料的缺陷调控及功能创制相关的基础研究工作,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合作,才促成了同步实现热/电整流研究方面的重大突破。

据介绍,经过大量实验探索并成功合成二维面内异质结材料之后, “根据之前的研究基础和实际经验,我们敏锐地想到这种异质结材料在热整流方面应该具有很大潜力,并且有望实现热、电的同步整流,而这一点是以往工作尚未涉及的,可以弥补现有工作的空白,” 吕瑞涛和王海东表示。

通过文献调研和模拟计算,初步验证了上述猜想。之后,他们便着手开始设计测量器件、搭建实验系统、开展分子动力学计算分析。

器件的制备和纳米尺度的热学实验测量非常复杂,需要细致的实验设计和精巧的操作技术,大家在实验中也遇到了很多困难。不过基于已有的经验积累,最后都一一克服。

为了保障热学测量的灵敏度,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脆弱,实验过程中一点微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,大部分都是因为环境中微小的静电、以及电路中的脉冲干扰。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,仔细检查测试系统中的每个细节,同时提升整体测量系统的电学稳定性,最后很好地解决了纳米传感器容易烧断的难题,保证了后续实验的进行。

“最后,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交流讨论时,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分析吗?

这个问题给予他们很大的启发,后来课题组制备了不同界面角度的异质结样品,经过大量的实验测量和分析,验证了异质结界面角度对热整流现象的影响,进一步完善了实验内容,提升了整体工作的水平。

(来源:Science)

不过,这项工作更像是一个“很好的开端”,他们想做的研究内容还有很多。对于此次工作中的异质结体系,课题组发现在正向偏置电压下,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,因此热量的输运主要由声子主导。

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。在这种情况下,电子-声子的耦合作用将不可忽略,假如可以通过实验对其进行定量表征,那将是一个很大的突破。

此外,材料的热整流特性,给热量的主动调控提供了一个有效途径。后续,研究人员将进一步开发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.

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