Uno studio pubblicato su Materiali avanzati rivela le proprietà di trasporto termico dei cristalli ultrasottili di diseleniuro di molibdeno, un materiale bidimensionale della famiglia dei dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD). Superando il silicio, i materiali TMD si dimostrano candidati eccezionali per applicazioni elettroniche e optoelettroniche, come dispositivi flessibili e indossabili. Questa ricerca, che ha coinvolto ricercatori appartenenti a quattro gruppi ICN2 e provenienti da ICFO (Barcellona), Università di Utrecht (Paesi Bassi), Università di Liegi (Belgio) e Weizmann Institute of Science (Israele), è stata coordinata dal capogruppo ICN2 Dr. Klaas-Jan Tielrooij.

La crescente domanda di componenti e dispositivi estremamente piccoli ha portato gli scienziati a cercare nuovi materiali che potessero soddisfare al meglio queste esigenze. I materiali a strati bidimensionali (materiali 2D) - che possono essere sottili come uno o pochi strati atomici e sono fortemente legati solo nella direzione nel piano - hanno attirato l'attenzione sia del mondo accademico che dell'industria e non smettono di stupire con le loro peculiari e notevoli proprietà. Tra questi, i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD) sono promettenti per una varietà di applicazioni elettroniche, optoelettroniche e fotoniche.

Quando si tratta di integrazione e miniaturizzazione dei dispositivi, un aspetto fondamentale da tenere in considerazione sono le proprietà di trasporto termico dei materiali:nella maggior parte delle applicazioni il surriscaldamento è un fattore cruciale che limita le prestazioni e la durata. Pertanto, al fine di sfruttare le proprietà elettroniche e ottiche dei TMD, è necessaria una profonda comprensione e controllo del flusso di calore in questi materiali. In particolare, la comprensione degli effetti dello spessore dei cristalli, fino a un solo strato, e dell'ambiente sul trasporto termico sono fondamentali per le applicazioni.

Influenza dello spessore del cristallo sulle proprietà di dissipazione termica

Uno studio sperimentale e teorico combinato recentemente pubblicato su Materiali avanzati studia la conducibilità termica del diseleniuro di molibdeno (MoSe₂ ), che è un materiale TMD archetipico.

David Saleta Reig, Ph.D. studente e primo autore del lavoro, afferma:"Abbiamo eseguito uno studio sistematico degli effetti dello spessore del cristallo e dell'ambiente circostante sul flusso di calore. Questo colma un'importante lacuna nella letteratura scientifica sui materiali 2D". In effetti, eseguire studi sperimentali affidabili o simulazioni al computer del trasporto termico su un'ampia gamma di spessori dalla massa fino a un singolo monostrato molecolare non è un compito facile. Gli autori di questa ricerca sono stati in grado di superare queste sfide e produrre protocolli e risultati validi non solo per il caso di studio, MoSe₂ , ma anche per una più ampia gamma di materiali 2D.

MoSe ultrasottile₂ trasporta il calore più velocemente del silicio ultrasottile

Le misurazioni sperimentali, in combinazione con le simulazioni numeriche, hanno portato a un risultato notevole:"Abbiamo scoperto che la conducibilità termica nel piano dei campioni diminuisce solo marginalmente quando si riduce lo spessore del cristallo fino a un monostrato con spessore sub-nanometrico ", spiega Sebin Varghese, Ph.D. studente e secondo autore dello studio. Questo comportamento ha origine dalla natura stratificata di MoSe₂ e distingue i materiali TMD dai semiconduttori non stratificati, come lo standard del settore, il silicio. In quest'ultimo, la conducibilità termica diminuisce drasticamente quando lo spessore si avvicina al nanometro, a causa della maggiore dispersione sulla superficie. Questo effetto è molto meno significativo nei materiali stratificati, come MoSe₂ .

Primi principi Le simulazioni di trasporto termico hanno riprodotto i risultati sperimentali in modo eccellente e hanno portato a un altro risultato sorprendente:"Per i film più sottili, il calore è trasportato da modalità fononiche diverse rispetto a quelle più spesse", afferma la dott.ssa Roberta Farris, ricercatrice post-dottorato che sviluppato ed eseguito le simulazioni ab initio. Infine, questo studio chiarisce anche l'influenza dell'ambiente del materiale sulla dissipazione del calore, dimostrando che il MoSe ultrasottile₂ è in grado di dissipare il calore in modo molto efficiente alle molecole d'aria circostanti.

Il Dr. Klaas-Jan Tielrooij, che ha coordinato il lavoro, afferma:"Questo lavoro mostra che i cristalli TMD con spessore (sub) nanometrico hanno il potenziale per superare le prestazioni dei film di silicio sia in termini di conduttività elettrica che termica in questo limite ultrasottile". Questi risultati dimostrano quindi le ottime prospettive dei TMD per applicazioni che richiedono spessori dell'ordine di pochi nanometri o meno, ad esempio nel caso di dispositivi flessibili e indossabili e componenti elettronici su nanoscala. "Ovviamente resta da vedere se i TMD manterranno le loro promesse", conclude il dott. Tielrooij, "poiché ci sono molti ostacoli da superare prima che questi materiali vengano applicati su scala industriale. Almeno ora sappiamo che il loro le proprietà non sono, in linea di principio, uno spettacolo".

Gli autori di questo studio hanno utilizzato la tecnica della termometria Raman per misurare la conduttività termica di un ampio insieme di MoSe sospesi, cristallini e puliti₂ cristalli con spessore sistematicamente variato, avendo cura di identificare e sopprimere eventuali artefatti dipendenti dallo spessore. Hanno confrontato i risultati sperimentali con simulazioni ab initio, basate sulla teoria del funzionale della densità e sulla teoria del trasporto di Boltzmann, eseguite con il metodo e il software SIESTA, particolarmente adatti per simulazioni atomistiche con un gran numero di atomi. + Esplora ulteriormente

I dicalcogenuri dei metalli di transizione si indeboliscono quando lo spessore diminuisce