【科研进展】克服下一代高能效电子器件热瓶颈的MoS2应变工程

通讯作者：

• Xing Zhang（张兴） — 清华大学工程力学系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084，中国；Email: xzhang@mail.tsinghua.edu.cn

共同第一作者：

• Juan Xue（薛娟）— 清华大学工程力学系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084，中国

• Yufeng Zhang（张玉峰）— 清华大学工程力学系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084，中国

其他作者：

• Aoran Fan— 清华大学工程力学系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084，中国

• Xu Hou— 清华大学工程力学系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084，中国

• Weigang Ma（马维刚）— 清华大学工程力学系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084，中国；ORCID: 0000-0003-0178-3994

摘要

能效电子器件的持续需求催生了严峻的热瓶颈问题。一个长期存在的范式认为，压缩应变引起褶皱诱导声子散射而普遍降低二维材料的热输运性能。本工作通过衬底约束策略在MoS₂中彻底颠覆了这一认知——实现了均匀、无褶皱的压缩应变，并实验测得仅1%的压缩应变即可使热导率提升约40%，与拉伸应变下的抑制效应形成鲜明对比。分子动力学模拟揭示，衬底通过范德华耦合抑制面外不稳定性，实现了前所未有的应变传递。第一性原理计算进一步表明，压缩应变重构了晶体对称性，同步提升了声子群速度和声子寿命。该工作解决了二维热管理中的关键瓶颈，为下一代电子器件中高热导率材料的原子尺度设计开辟了新路径。

文章概况

一、长期范式被颠覆：压缩应变≠热导率降低

在传统块体半导体（Si、GaN等）中，拉伸应变降低热导率、压缩应变增强热导率已是成熟规律。然而当材料降维至二维时，一个棘手的问题出现了：直接面内压缩极易引发面外屈曲失稳——即褶皱形成。这种结构不稳定性不仅破坏材料均匀性，更引入强烈的声子散射中心，严重劣化热输运性能。因此，长期以来学界普遍认为压缩应变在二维材料中同样降低热导率。

本工作通过金辅助机械剥离+柔性PET衬底弯曲策略，实现了均匀、可控、无褶皱的面内压缩应变。关键在于衬底的"约束效应"——通过精心设计的vdW界面耦合，衬底有效抑制了面外位移，使得压缩应变得以均匀传递而非诱发褶皱。

图1. 金辅助剥离过程的示意图和由此产生的大面积MoS2薄片的光学图像

二、1%压缩应变→40%热导率提升

利用稳态拉曼热成像法测量应变依赖的热导率。在无应变状态下，4L和6L MoS₂的热导率分别为60±13和59±4 W·m⁻¹·K⁻¹。施加1.7%拉伸应变后，热导率降低约20%。而仅0.84%的压缩应变即使热导率提升约40%，达到~83 W·m⁻¹·K⁻¹。

拉曼光谱显示：压缩应变下E₂g和A₁g模均发生蓝移（E₂g：-1%应变下蓝移1.45 cm⁻¹），拉伸应变下红移。二维拉曼面分布证明应变在全区域均匀传递，无褶皱形成。值得注意的是，E₂g模在拉伸~1.43%时发生峰劈裂（晶格对称性破缺），而A₁g模始终保持单峰，因此在热导率计算中选用A₁g模以避免拟合误差。

图2. MoS₂ 晶体管的应变施加与表征

三、衬底约束效应：应力传递提升4倍

MD模拟清晰揭示了自由悬挂与衬底支撑MoS₂的本质差异：

自由悬挂MoS₂：压缩时产生显著面外褶皱与屈曲，应力分布高度非均匀，平均应力仅~1.7 GPa。褶皱诱导的额外声子散射进一步增加热阻，导致压缩下热导率反而降低。

衬底支撑MoS₂：压缩变形保持平面且空间均匀，应力分布高度均匀，平均应力达到~7 GPa——为自由悬挂构型的4倍。衬底通过vdW耦合约束横向运动、抑制面外位移、阻止褶皱成核，实现了均匀可控的压缩应变传递。

图3. 稳态拉曼测温法测量MoS₂的层厚和应变相关热导率

五、微观机制：群速度与寿命同步提升

DFT计算揭示压缩应变增强热导率的双重声子优化机制：

声子色散：压缩应变使面内声学支频率整体上移（拉伸则下移），表明键刚度增强。

声子群速度：1%压缩应变显著提升声子群速度，而相同幅值拉伸应变降低群速度——与热导率变化趋势完全一致。

声子寿命：1%压缩应变在0–4 THz低频范围内显著延长声子寿命，这是热导率大幅提升的核心原因。拉伸应变对声子寿命的影响相对有限。

关键区分：本工作为单轴应变（沿单一方向），区别于静水压力下的双轴应变。静水压力通过各向同性压缩减小vdW间隙、增强层间耦合来提升热导率；而单轴压缩则通过降低晶格对称性、选择性影响沿应变方向的声学支、延长低频声子寿命来实现增强。两者机制本质不同，需明确区分。

图4. 压缩应变下悬浮和衬底支撑2L MoS₂ 的分子动力学模拟和导热系数测量。

图5. 不同应变下6L MoS₂ 的第一性原理DFT计算

六、控制实验：排除测量假象

为排除应变导致接触热阻变化或测量系统漂移等假象，研究者使用12L MoS₂作为对照组——多层膜因弯曲刚度大、层间滑移抑制应变传递，其热导率在1%压缩应变下保持不变。这一结果确认了~40%的增强确实源于少层样品中声子本征行为的变化，而非实验假象。

总结与展望

本工作通过衬底约束策略在MoS₂中实现了均匀无褶皱的面内压缩应变，首次实验证明仅1%压缩应变即可将热导率提升约40%，彻底颠覆了"压缩应变普遍降低二维材料热输运"的长期范式。MD模拟揭示了衬底通过vdW耦合将应力传递提升4倍、抑制褶皱成核的核心机制；DFT计算进一步阐明压缩应变通过提升声子群速度和延长低频声子寿命（0–4 THz）双重路径实现热导率增强——与拉伸应变主要降低群速度的机制形成鲜明对比。该工作不仅解决了二维热管理中的关键瓶颈，更确立了原子尺度应变工程作为设计先进热界面材料的可行路径，为异质集成亚3 nm电子器件中电-热输运的协同优化提供了新思路。

Xue, J. et al. Strain Engineering of MoS₂ for Overcoming Thermal Bottlenecks in Next-Generation Energy-Efficient Electronics. Nano Lett. 2026, 26, 11235–11243.

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编辑｜段了了