二维异质结导热特性与二维材料/基底界面热阻的分子动力学研究

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石墨烯的出现打开了二维材料的探索之路。相比于零带隙的石墨烯,具有1~2伏带宽的二维过渡金属硫族化合物(TMDs)被广泛用于制造电子和光致发光器件。然而这些器件的散热可能成为限制其性能和可靠性的瓶颈,因此了解纳米结构中的热输运变得越来越重要。与单层二维材料相比,通过堆叠不同的TMDs形成的范德华异质结构表现出不同寻常的性能,并在光学和电子学中有良好的应用前景。目前,制备异质结构主要有自下而上直接生成方法和自上而下机械堆叠方法(剥脱和重新堆叠)。不同的合成过程可能会导致晶格不匹配,层间旋转和掺杂等缺陷。本文采用非平衡分子动力学模拟探究这些缺陷对由单层MoS2和MoSe2形成的双层异质结构的层间热导率的影响。结果表明,不存在应力的MoS2/MoSe2异质结构的热导率比AB完美堆叠异质结构的热导率大121%。通过正则模态分析(NMA)表明拉伸应变引起非谐性增强是热导率变化的主要原因。对扭曲双层结构的研究表明,层间旋转极大地改变了声子能带结构,但对热导率影响很小。由于具有局域特性的声子模态的增加,热导率与掺杂率成反比。带有基底的二维材料(比如MoS2/SiO2)广泛应用于光电探测器或场效应晶体管。当二维材料置于基底之上时,其向环境的散热主要有两种途径:一是沿二维材料平面方向上的散热,二是通过二维材料与基底形成的界面的散热。当二维材料与基底的接触面积远大于沿二维材料面内的散热面积时,大部分余热通过二维材料与基底的界面耗散。因此,为了获得可靠寿命和性能的二维器件,必须充分了解二维材料与基底之间的界面热阻(ITR)。本文采用分子动力学模拟探究了质量,层间作用力,势能,温度等因素对MoS2/SiO2界面热阻的影响,并提出了基于态密度的界面热阻理论模型来定性分析界面热阻。结果表明势能和原子质量是造成MoS2/SiO2和MoSe2/SiO2界面热阻不同的主要原因。通过改变S原子的分子质量发现界面热阻随着S原子质量的增大先减小后增大;通过掺杂改变原子的平均质量发现界面热阻随着掺杂率的增加而降低。此外界面热阻随着温度的增加而减小,随着LJ势能强度的增加而减小。本文提出的基于态密度的界面热阻理论模型预测值与计算值趋势一致,能很好地定性比较界面热阻。
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