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“会选方向”的导热：芯片散热迎来新解法

随着三维集成电路和高性能芯片持续向更高集成度发展，器件内部产生的热量如何高效导出，已成为制约性能与可靠性的关键问题。一方面，芯片内部的热量需要通过多层界面沿垂直方向快速传递到封装表面；另一方面，又必须阻止外界热量反向流入，以避免对热敏感器件造成损伤。然而，在纳米尺度实现这种“单向导热”的非对称声子输运极具挑战，传统热整流器不仅尺寸较大，而且多局限于平面方向，难以满足先进芯片的实际需求。

针对上述难题，清华大学曹炳阳教授、王海东副教授联合北京大学刘开辉教授提出了一种由MoS₂/MoSSe/WSe₂构成的三层范德华异质结构，通过引入Janus材料MoSSe并调控界面扭转角，实现了显著的垂直方向非对称热输运。实验结果表明，该结构的热输运非对称性可在23%到104%之间连续调节。结合分子动力学模拟，研究揭示了不同界面声子模式贡献差异是产生非对称性的核心原因，并在器件测试中观察到最高3.9 K的温度降低效果。这一成果为实现芯片级智能热管理提供了重要新思路。相关成果以“Asymmetric thermal transport in a trilayer van der Waals heterostructure”为题发表在《Nature Electronics》上，王海东副教授、朱虹鑫、薛国栋、杨鸿澳为共同第一作者。

在具体实验设计中，研究人员首先构建了一种用于测量垂直热导的X型传感器结构，并围绕其逐步搭建三层二维材料体系（图1a–e）。通过在SiO₂/Si基底上沉积底部金电极，再依次转移单晶MoS₂、MoSSe和WSe₂三层材料，最终形成完整的Au/MoS₂/MoSSe/WSe₂/Au结构。在这一过程中，研究团队借助微探针操作技术精确控制各层之间的扭转角（图1k、图1l），使界面结构具有高度可调性。进一步的透射电镜表征（图1n）显示，各层界面平整洁净，层间距与理论值一致，证明该结构具备优良的界面质量。这一部分工作不仅完成了材料体系的构建，也为后续调控热输运提供了关键基础。

图1：三层异质结构及X型传感器的制备与结构表征

为了进一步理解扭转角对材料结构的影响，研究人员对样品进行了系统表征（图2a–k）。通过光学显微镜与二次谐波（SHG）测试相结合的方法，可以精确测量不同层之间的晶格取向（图2b–g），并验证扭转角控制的准确性。同时，扫描透射电镜清晰展示了随扭角变化产生的莫尔条纹结构（图2h–j）：随着扭转角增大，条纹周期逐渐减小，反映出原子排列干涉效应的变化。此外，拉曼映射结果（图2k）进一步确认了不同材料层的组成与均匀性。这些表征结果共同说明，扭转角不仅改变几何结构，还会深刻影响声子的传播环境，为调控热输运提供了重要手段。

图2：扭转角测量及莫尔条纹结构表征

在热输运测量方面，研究团队利用X型传感器实现了对不同热流方向的精确控制（图3a）。通过改变电流方向，可以使热量在结构中沿相反方向传播，从而比较其热导差异。实验结果显示，在对称的MoS₂/MoS₂结构中，热导几乎不随方向变化（图3c），表现出典型的对称输运特性；而在MoSe₂/WSe₂异质结构中，已经出现一定程度的非对称性（图3d）。当引入Janus材料构成三层MoS₂/MoSSe/WSe₂结构后，这种非对称性显著增强（图3e–h），并且可以通过调节两个界面的扭转角θ₁和θ₂进行灵活调控。在特定角度组合下，非对称性最高可达104%，表现出类似“热二极管”的行为，即热量更容易沿一个方向传输，而在反方向受到抑制。这一结果清晰地证明了结构设计在调控热输运中的关键作用。

图3：不同结构下的热导与非对称热输运特性

为了揭示其物理本质，研究人员进一步开展了分子动力学模拟（图4a–i）。模拟结果表明，在对称结构中，由于上下界面性质相同，声子输运在两个方向上表现一致，因此不会产生非对称性（图4g）。而在三层结构中，由于MoSSe材料上下两侧原子种类不同，导致两个界面的声子耦合机制存在差异（图4h、i）。进一步分析发现，热传导由面内和面外两类声子共同贡献，其中面内声子主要对应低频振动，而面外声子则对应高频振动。随着扭转角变化，莫尔结构周期缩短，使低频面内声子传输受到抑制，而高频面外声子贡献增强（图4f）。正是这种不同界面对不同声子模式的“选择性响应”，导致了热流在两个方向上的不对称行为，从而形成显著的热整流效应。

图4：声子机制与非对称热输运的理论解释

在器件层面，研究团队将该三层结构集成到场效应晶体管中进行验证（图5a–f）。通过构建正向堆叠与反向堆叠两种结构，并利用热反射成像技术测量温度分布，可以直观比较其散热能力。实验结果表明，在相同加热功率下，正向堆叠结构的温度明显低于反向结构（图5d–f）。在58 mW加热条件下，两者温差达到3.9 K，其中绝大部分差异来源于界面热导的非对称性。这说明该结构在实际器件中能够有效促进热量向外传导，同时抑制反向热流，实现“智能热管理”功能。

图5：器件中非对称导热效应的实验验证

总结与展望

总体来看，该研究通过构建三层Janus范德华异质结构，在纳米尺度实现了可调控的垂直非对称热输运，为解决芯片散热难题提供了全新思路。其亚5纳米的厚度不仅有利于集成应用，而且可通过扭转角调控实现灵活设计。未来，这类材料有望在高性能芯片、纳米电子器件及热管理系统中发挥重要作用，并进一步拓展至声子调控、能带工程等更广泛领域。