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第一作者：Chengjian He, Chuan Xu, Chen Chen

通訊作者：任文才

通訊單位：中國科學(xué)院金屬研究所

任文才，中國科學(xué)院金屬研究所研究員，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。研究方向：石墨烯等二維原子晶體材料的制備、物性與應(yīng)用。（信息來源：https://baike.baidu.com/item/%E4%BB%BB%E6%96%87%E6%89%8D/15987528?fr=ge_ala）

論文速覽

具有高熱導(dǎo)率和電荷載流子遷移率的二維（2D）半導(dǎo)體對下一代電子和光電子設(shè)備極為重要，但受到長期遵循的Slack標(biāo)準(zhǔn)的約束，已報道的2D半導(dǎo)體，如二硫化鉬（MoS₂）、二硒化鎢（WS₂）、二硒化鉬（MoSe₂）、二碲化鎢（WSe₂）和黑磷的熱導(dǎo)率遠低于硅（約142 W m^-1?K^-1），由于它們的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、平均原子量大以及化學(xué)鍵相對較弱。盡管晶體結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但最近出現(xiàn)的單層MoSi₂N₄半導(dǎo)體被預(yù)測同時具有高熱導(dǎo)率和電荷載流子遷移率。

本論文研究了2D半導(dǎo)體材料MoSi₂N₄的熱導(dǎo)率，這類材料對于下一代電子和光電子器件具有重要意義。盡管傳統(tǒng)的Slack標(biāo)準(zhǔn)認為2D半導(dǎo)體如MoS₂、WS₂等的熱導(dǎo)率應(yīng)低于硅，但MoSi₂N₄卻顯示出異常高的熱導(dǎo)率。

研究團隊使用非接觸式光熱拉曼技術(shù)實驗測量了室溫下懸浮單層MoSi₂N₄的熱導(dǎo)率達到約173 W m^-1?K^-1，遠高于硅和已知的2D半導(dǎo)體。通過第一性原理計算揭示，MoSi₂N₄的高Debye溫度和小Grünneisen參數(shù)是其高熱導(dǎo)率的原因，這兩個參數(shù)都強烈依賴于最外層Si-N雙層引起的高楊氏模量。

該研究不僅將單層MoSi₂N₄確立為下一代電子和光電子設(shè)備的基準(zhǔn)2D半導(dǎo)體，還為設(shè)計高效熱傳導(dǎo)的2D材料提供了思路。

圖文導(dǎo)讀

圖1：CVD生長的MoSi₂N₄晶體的表征。

圖2：單層MoSi₂N₄晶體在SiO₂/Si基底上的拉曼特性。

圖3：通過光熱拉曼技術(shù)測量懸浮單層MoSi₂N₄晶體的熱導(dǎo)率。

圖4：單層MoSi₂N₄晶體的異常高熱導(dǎo)率。

圖5：單層MoSi₂N₄異常高熱導(dǎo)率的理論分析。

總結(jié)展望

本研究的亮點在于發(fā)現(xiàn)了單層MoSi₂N₄具有異常高的熱導(dǎo)率，該發(fā)現(xiàn)不僅打破了傳統(tǒng)的Slack標(biāo)準(zhǔn)，而且為設(shè)計具有高熱導(dǎo)率的2D材料提供了新的方向。研究數(shù)據(jù)表明，MoSi₂N₄的熱導(dǎo)率達到了約173 W m^-1?K^-1，遠高于硅和其他已知的2D半導(dǎo)體。

此外，研究還揭示了MoSi₂N₄高熱導(dǎo)率的機制，即高Debye溫度和低Grünneisen參數(shù)，這些特性與材料的強化學(xué)鍵合和高楊氏模量密切相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)為未來利用MoSi₂N₄的高電荷載流子遷移率和熱導(dǎo)率于電子和光電子設(shè)備的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

文獻信息

標(biāo)題：Unusually high thermal conductivity in suspended monolayer MoSi₂N₄

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48888-9

原創(chuàng)文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/06/17/a2a7114a6f/

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