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集成电路的致密化，需要高效热管理策略和高导热材料。最近的创新包括：热传导各向异性材料的开发，它可以沿快轴方向消除热点，并沿慢轴提供隔热。然而，大多数人工设计的热导体的各向异性比，比自然各向异性材料中获得的要小得多。

在此，来自瑞典哥德堡查尔莫斯理工大学的Paul Erhart & 美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的David G. Cahill & 美国芝加哥大学的Jiwoong Park等研究者报道了，基于具有随机层间旋转的大面积范德华薄膜的极端各向异性热导体，它在MoS₂中产生了接近900的室温热各向异性比，是迄今为止报道的最高之一。相关论文以题为“Extremely anisotropic van der Waals thermal conductors”于2021年09月29日发表在Nature上。

各向异性热导体是指，热在一个方向流动比另一个方向快，其特征是沿快轴(κ_f)和慢轴(κ_s)导热系数之间的各向异性比ρ (=κ_f/κ_s)。在全密度固体中设计ρ的一种常见方法是通过纳米结构，例如在单一材料中制造无机超晶格或设计打破对称的晶体结构。

然而，这种工程材料在室温下的ρ值相对较小，小于20。相反，一些天然晶体材料本质上具有很大的ρ(例如石墨1和六方氮化硼(hBN)，分别有ρ≈340和ρ≈90)，但它们通常很难进行可缩放的薄膜集成处理。其中一些薄膜，还可能缺乏功能器件应用所必需的电学或光学特性。

为了设计具有更高ρ值的材料，同时适用于现实世界的应用，需要开发一种方法，包括三个关键特征：(1)具有本质上高κ_f的候选材料，通常具有有效的声子介导热传输；(2)在不影响κf的情况下大量减少κ_s的方法；(3)这种材料的简易、可扩展生产和集成，对材料尺寸(例如，膜厚)进行精确控制。层状范德华(vdW)材料，如石墨和过渡金属二卤族(TMDs)，为设计这种高-ρ材料提供了理想的材料平台。它们通常具有优异的单晶形式的固有面内热导率(κ_||)。

先前的研究还测量了纳米晶vdW薄膜(例如WSe₂)和异质结构的创纪录的低导热率。然而，目前缺少的一项功能是，在保持高κ_||的情况下，显著降低平面外热导率(κ_⊥)。

在此，研究者展示了这种由层间旋转提供的能力，如图1a所示。层间旋转在原子尺度上打破了平面平动对称，而在每个单层中保持平面内长程结晶度，因此提供了一种抑制唯一κ_⊥的有效手段。

为此，研究者生产了没有层间挂靠的大面积TMD薄膜(这里称为r-TMD)，该薄膜具有平面上的长程结晶度和每个层间界面的相对晶格旋转(图1b)。薄膜的大规模生产采用两个步骤：连续的TMD单层膜(多晶;畴大小D)和利用先前报道的方法在真空中逐层堆叠。

为此，研究者得到了基于具有随机层间旋转的大面积范德华薄膜的极各向异性热导体，它在MoS₂中产生了接近900的室温热各向异性比，是迄今为止报道的最高之一。这是由于层间旋转阻碍了穿过平面的热传输，而层内的长程结晶度保持了较高的平面热导率。

研究者测量了MoS₂(57±3 mW m⁻¹ K⁻¹)和WS₂(41±3 mW m⁻¹ K⁻¹)薄膜，在通过平面方向的超低热导率，并使用揭示一维玻璃样热传输的分子动力学模拟定量解释了这些值。相反，这些MoS₂薄膜的面内热导率接近单晶值。采用该各向异性薄膜覆盖纳米金电极，可以防止电极过热，并阻止热量到达设备表面。

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图1 r-TMD薄膜的结构

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图2 r-MoS₂的过平面热性能

图3 r-MoS₂薄膜的面内热性能和热各向异性

图4 金电极上r-MoS₂薄膜的温度分布和热扩散效率

层间旋转是一种有效和可推广的方法，以减少κ_⊥，并可能在各种层状材料中设计各向异性的热特性。研究结果需要系统地研究κ_⊥与旋转角度之间的确切关系，这可能会揭示类似于扭曲双层石墨烯电传输研究的意外关系。层间旋转，可以与其他参数(如压力或层间间距)和高级结构(超晶格和异质结构)相结合，以实现高度可调的ρ，允许以前所未有的方向和空间控制水平定制热传输特性。

该工作建立了晶体层状材料的层间旋转，可作为固体系统中工程定向热传输的一个新自由度。

文献信息

Kim, S.E., Mujid, F., Rai, A. et al. Extremely anisotropic van der Waals thermal conductors. Nature 597, 660–665 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03867-8

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03867-8#citeas

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