Un estudio publicado en Advanced Materials revela las propiedades de transporte térmico de cristales ultrafinos de diseleniuro de molibdeno, un material bidimensional de la familia de los dicalcogenuros de metales de transición (TMD). Con un rendimiento superior al silicio, los materiales TMD demuestran ser excelentes candidatos para aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas, como dispositivos flexibles y portátiles. Esta investigación, en la que participaron investigadores pertenecientes a cuatro grupos ICN2 y del ICFO (Barcelona), la Universidad de Utrecht (Países Bajos), la Universidad de Lieja (Bélgica) y el Instituto de Ciencias Weizmann (Israel), fue coordinada por el líder del grupo ICN2, el Dr. Klaas-Jan Tielrooij.

La creciente demanda de componentes y dispositivos extremadamente pequeños ha llevado a los científicos a buscar nuevos materiales que puedan satisfacer mejor estas necesidades. Los materiales en capas bidimensionales (materiales 2D), que pueden ser tan delgados como una o varias capas atómicas y están fuertemente unidos solo en la dirección del plano, han atraído la atención tanto de la academia como de la industria, y no dejan de sorprender. con sus peculiares y notables propiedades. Entre ellos, los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) son prometedores para una variedad de aplicaciones electrónicas, optoelectrónicas y fotónicas.

Cuando se trata de la integración y miniaturización de dispositivos, un aspecto clave a tener en cuenta son las propiedades de transporte térmico de los materiales:en la mayoría de las aplicaciones, el sobrecalentamiento es un factor crucial que limita el rendimiento y la vida útil. Por lo tanto, para aprovechar las propiedades electrónicas y ópticas de los TMD, se requiere un profundo conocimiento y control del flujo de calor en estos materiales. En particular, la comprensión de los efectos del grosor del cristal, hasta una sola capa, y el entorno en el transporte térmico son clave para las aplicaciones.

Influencia del espesor del cristal en las propiedades de disipación térmica

Un estudio combinado experimental y teórico publicado recientemente en Advanced Materials investiga la conductividad térmica del diseleniuro de molibdeno (MoSe₂ ), que es un material TMD arquetípico.

David Saleta Reig, Ph.D. estudiante y primer autor del trabajo, dice:"Realizamos un estudio sistemático de los efectos del grosor del cristal y el entorno circundante en el flujo de calor. Esto llena un vacío importante en la literatura científica sobre materiales 2D". De hecho, realizar estudios experimentales confiables o simulaciones por computadora del transporte térmico en una amplia gama de espesores, desde granel hasta una sola monocapa molecular, no es una tarea fácil. Los autores de esta investigación pudieron superar estos desafíos y producir protocolos y resultados que son válidos no solo para el estudio de caso, MoSe₂ , sino también para una gama más amplia de materiales 2D.

MoSe ultrafino₂ transporta el calor más rápido que el silicio ultrafino

Las mediciones experimentales, en combinación con simulaciones numéricas, condujeron a un resultado notable:"Descubrimos que la conductividad térmica en el plano de las muestras disminuye solo marginalmente cuando se reduce el grosor del cristal hasta llegar a una monocapa con un grosor subnanómetro. ", explica Sebin Varghese, Ph.D. estudiante y segundo autor del estudio. Este comportamiento se origina en la naturaleza en capas de MoSe₂ y distingue a los materiales TMD de los semiconductores sin capas, como el estándar de la industria, el silicio. En este último, la conductividad térmica disminuye drásticamente cuando el espesor se acerca al nanómetro, debido al aumento de la dispersión en la superficie. Este efecto es mucho menos significativo en materiales en capas, como MoSe₂ .

Las simulaciones de transporte térmico de principios básicos reprodujeron los resultados experimentales de manera excelente y condujeron a otro resultado sorprendente:"Para las películas más delgadas, el calor es transportado por diferentes modos de fonones que para las más gruesas", dice la Dra. Roberta Farris, investigadora postdoctoral que desarrolló y llevó a cabo las simulaciones ab initio. Finalmente, este estudio también aclara la influencia del entorno del material en la disipación de calor, demostrando que el MoSe₂ ultrafino es capaz de disipar el calor de manera muy eficiente a las moléculas de aire circundantes.

El Dr. Klaas-Jan Tielrooij, quien coordinó el trabajo, dice:"Este trabajo muestra que los cristales de TMD con un espesor (sub)nanómetro tienen el potencial de superar a las películas de silicio en términos de conductividad eléctrica y térmica en este límite ultrafino". Estos resultados demuestran las excelentes perspectivas de los TMD para aplicaciones que requieren espesores del orden de unos pocos nanómetros o menos, por ejemplo en el caso de dispositivos flexibles y portátiles y componentes electrónicos a nanoescala. "Por supuesto, queda por ver si los TMD cumplirán sus promesas", concluye el Dr. Tielrooij, "ya que hay muchos obstáculos que superar antes de que estos materiales se apliquen a escala industrial. Al menos ahora sabemos que sus propiedades térmicas las propiedades son, en principio, no un problema".

Los autores de este estudio utilizaron la técnica de termometría Raman para medir la conductividad térmica de un gran conjunto de MoSe₂ suspendido, cristalino y limpio. cristales con espesores sistemáticamente variados, teniendo cuidado de identificar y suprimir posibles artefactos dependientes del espesor. Compararon los resultados experimentales con simulaciones ab initio, basadas en la teoría del funcional de la densidad y la teoría del transporte de Boltzmann, realizadas con el método y el software SIESTA, que es especialmente adecuado para simulaciones atomísticas con una gran cantidad de átomos. + Explora más

Los dicalcogenuros de metales de transición se debilitan cuando el espesor disminuye