科学家通过“纳米三明治”结构改善二维材料导热性能，防止纳米电子过热烧毁

图示为一种实验晶体管，使用氧化硅作为基底，碳化物作为2D材料，氧化铝作为封装材料。图片来源：Zahra Hemmat

伊利诺伊大学芝加哥工程学院研究人员领导的发表在Advanced Materials期刊的一项新研究表明，将三维硅基底和超薄氧化铝层之间的纳米电子器件中使用的二维材料夹在中间，可以显着降低因过热导致元件失效的风险。

现有的许多硅基电子元件都含有石墨烯等二维材料。将石墨烯（由单原子厚的碳原子层组成）等二维材料加入到这些组件中，能使它们比传统方法制作的3D材料要小几个数量级。但是带有2D材料的纳米电子元件有一个致命的弱点-它们容易过热。因为从2D材料与硅基底材料之间的导热性差。

“在纳米电子领域，二维材料散热不良成为充分发挥其在保持功能性的同时制造更小电子产品的潜力的瓶颈，”UIC（伊利诺伊大学芝加哥分校）工程学院机械和工业工程副教授Amin Salehi-Khojin说道。

2D材料不能有效地将热量传递给硅的原因之一是2D材料与晶体管之类的硅之间的相互作用相当弱。

“2D材料与硅基板之间的键合不是很强，因此当2D材料中的热量积聚时，会产生热点，导致过热和设备故障，”UIC工程学院的研究生Zahra Hemmat解释道。Zahra Hemmat是该论文的共同第一作者。

为了增强2D材料和硅基底之间的连接以改善从2D材料到硅的导热性，工程师们尝试在2D层的基础上添加一层超薄的材料，这实际上是以硅基和超薄材料制作了一个“纳米三明治”面包。

“通过在2D材料上添加另一个'封装'层，我们已经能够将2D材料和硅基之间的能量转移增加一倍。”Salehi-Khojin说。

Salehi-Khojin及其同事创建了一个实验晶体管，使用氧化硅作为基底，碳化物作为2D材料，氧化铝作为封装材料。在室温下，研究人员发现，添加氧化铝层与没有氧化铝层的晶体管相比，从碳化物到硅基底的热传导率没有氧化铝层的晶体管的两倍。

“虽然我们的晶体管是一个实验模型，但它证明通过在这些2D纳米电子学中添加额外的封装层，我们可以显着增加2D材料向硅基底热传递的效率，这将大大有助于保持这些组件的功能，减少它们烧毁的可能性，“Salehi-Khojin说。 “接下来我们的工作是通过测试不同的封装层，看看是否可以进一步改善热传导。”

文藏来源：rdmag，原文题目：Nano-Sandwiching Improves Heat Transfer, Prevents Overheating in Nanoelectronics，由材料科技在线团队编译。