【科研進展】扭轉工程下的異常熱傳導增強：MoS?/WS?轉角異質界面熱導提升2.5倍

Anomalous enhancement of thermal conduction across twisted van der Waals heterointerfaces

導讀

作者：Yufeng Zhanga,1, Yanzheng Dua,1, Xiao Wana, Meng Ana, Aoran Fana, Fengyi Lia, Weigang Maa,2, and Xing Zhanga,2

作者單位：清華大學工程力學系熱科學與動力工程教育部重點實驗室

摘要：

二維范德華異質結構因其可調諧的電子和光子特性，成為后摩爾時代集成電路的重要候選材料。然而，異質界面固有的聲子不匹配通常導致較低的界面熱導，成為器件熱管理的瓶頸。傳統觀點認為，層間扭轉會破壞晶格對稱性，抑制聲子輸運。該研究通過時域熱反射(TDTR)成像技術，首次實驗發現，在MoS?/WS? 異質雙層中，層間扭轉可以反常地將界面熱導提升約2.5倍，從θ=0°時的12.1 MW·m?2·K?1增至θ=38°時的30.2 MW·m?2·K?1。結合分子動力學模擬和模態溫度分析，研究揭示這一增強源于扭轉誘導的非彈性聲子散射增強，重構了界面處聲子溫度分布，激活了高頻光學聲子向低頻聲學聲子的高效轉換通道。該工作為通過界面微擾增強非彈性散射、提升異質界面熱輸運性能提供了全新范式。

正文解讀

1.MoS?/WS?轉角異質結構

MoS?和WS?是典型的過渡金屬硫族化合物半導體，單層均為直接帶隙，具有高發光效率和良好的電子遷移率。將二者垂直堆疊形成MoS?/WS?異質雙層，可形成類型II能帶對齊，促進層間激子的形成。層間扭轉角度的引入進一步調制了層間耦合，形成摩爾超晶格，為調控聲子輸運提供了新維度。

樣品制備與表征：

圖 1. 扭曲雙層MoS2/WS2異質結構的表征。

• 拉曼光譜顯示，異質區域同時出現MoS?和WS?的特征峰，且低頻剪切模和層間呼吸模的出現證實了強層間耦合。

• PL光譜中，異質區域出現新的層間激子發光峰，進一步證明異質界面的形成。

• HAADF-STEM圖像清晰顯示摩爾條紋，FFT和SAED圖案確認了轉角的精確值（如9.2°和28.1°），界面潔凈、平整。

2. 界面熱導的測量

該研究開發了基于時域熱反射成像的技術，結合人工神經網絡加速擬合，實現對轉角異質界面熱導的高通量、高精度測量。樣品結構為Al/MoS?/WS?/SiO?/Si，通過測量不同延遲時間下的熱反射信號，反演出界面熱阻分布。

圖2. 扭曲雙層MoS 2 /WS 2 異質結構（tBMWHs）的角度依賴界面熱導率（ITC）。

• 對16個不同轉角的樣品進行成像測量，發現界面熱導隨轉角呈非單調變化：從0°開始上升，在38°附近達到峰值（30.2 MW·m?2·K?1），隨后下降至60°恢復初始值。

• 分子動力學模擬結果與實驗趨勢高度一致，驗證了實驗的可靠性。

• 對比同質結構（如MoS?/MoS?），其界面熱導隨轉角增大而下降，說明異質界面中扭轉增強熱導的現象具有獨特性。

3. 非彈性聲子輸運機制

為揭示扭轉增強熱導的微觀機制，研究進一步開展了模態溫度分解和頻譜熱流分析：

圖3. MoS2/WS2界面非平衡聲子溫度和非彈性聲子輸運。

• 模態溫度分析表明，未扭轉時，熱側光學模溫度高于聲學模；扭轉后，熱側光學模溫度反而低于聲學模，出現“熱層級反轉”現象。這促使高頻光學聲子通過非彈性散射轉化為低頻聲學聲子，成為主要的熱輸運通道。
  
• 頻譜界面熱導分析顯示，扭轉后高頻光學聲子區（ZO/TO模）出現明顯貢獻峰，說明非彈性散射通道被激活。

• 溫度依賴性實驗進一步證實，扭轉后界面熱導在高溫下持續上升，非彈性散射貢獻從55%（θ=0°）提升至70%（θ=21.8°），是總熱導提升的主導因素。

圖4. 扭曲均勻和非均勻界面聲子輸運機制的比較。

總 結 與 討 論

該研究首次實驗證實，層間扭轉可顯著增強MoS?/WS?異質界面的熱輸運性能，顛覆了傳統“扭轉抑制熱導”的認知。其核心機制在于扭轉增強了非彈性聲子散射，重構了界面聲子溫度分布，激活了高效的光學-聲學聲子轉換通道。該策略具有普適性，在MoSe?/WSe?體系中也觀察到類似增強趨勢。未來，通過引入界面微擾（如滑移、褶皺等）進一步增強非彈性散射，有望為二維異質結構器件的熱管理提供全新解決方案。

文獻信息：

Zhang Y, Du Y, Wan X, et al. Anomalous enhancement of thermal conduction across twisted van der Waals heterointerfaces[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026, 123(9): e2531049123.

熱 知

李保文課題組公眾號｜rezhi2021