科学家找到纳米尺度上控制热流的新方法

通过将原子薄层堆叠成范德瓦尔斯异质结构（vdWHs），来自东京都立大学的研究人员发现了控制热量如何流经薄材料的新方法。通过比较不同材料的不同堆叠，以及热处理后的相同材料，他们发现层与层之间的弱耦合和不匹配有助于大大减少热传输。他们的发现有望在热电设备中对纳米级的热流进行敏感控制。

热量无处不在，而且它在流动。我们每天都能观察感受到，例如当我们触摸一个冰冷的门把手，看到冰块融化，或把锅放在炉子上。热量在错误的地方也会造成损害。这方面的例子包括电子产品过热，因为微芯片在执行密集的计算任务时产生的热量超过了它们能够带走的热量。这可能会损坏或严重减少电子设备的使用寿命，使纳米级的热流控制成为现代社会的一个紧迫问题。

由东京都立大学的 Kazuhiro Yanagi 教授领导的一个团队一直在研究如何生产和处理被称为过渡金属二氯化物的一类材料超薄层。在这里，他们把二硫化钼和二硒化钼的单原子厚度的层，并把它们叠成四层（4L薄膜）。这些层可以用不同的方式耦合在一起。

研究小组以独特、温和的方式转移大型单原子薄片，使他们能够创造出由范德瓦尔斯力结合在一起的层堆。他们也可以通过更多的传统技术，特别是化学气相沉积（CVD）来强行结合。这就产生了许多关于如何将隔离层放在一起的变化，并可能控制热量如何通过它们。

通过使用一种特殊的涂层技术，他们能够以相当好的精确度检测出微不足道的热量是如何流过这些堆栈的。首先，他们发现，通过CVD紧密结合的层比松散结合的层透出更多的热量。这种影响可以通过退火来部分逆转，使结合力更强并改善热量的传输。

此外，他们比较了四个硫化钼层的堆叠和一个由硫化钼和硒化钼层交替组成的"千层饼"状结构。这样的异质结构在相邻的原子层之间有一个人为的结构不匹配，这导致热传导水平明显降低，比强结合层低十倍以上。

该团队的发现不仅展示了一个新的技术发展，而且提供了关于如何控制纳米级热流的一般设计规则，无论你想要更多还是更少的流动。这些见解将导致超薄、超轻的绝缘体以及新的热电材料的发展，在这些材料中，热量可能被有效地引导并转化为电能。