微纳材料设计与制造研究中心

石墨烯、过渡金属二硫化物等一系列二维材料是纳米电子领域颇受瞩目的明星材料。与硅等传统半导体材料相比，二维材料具有更加优异的电、热、光学性质，能被制作成包含长晶体管、存储器件、光电器件等一系列多功能器件。同时，二维材料仅有单层原子（<1nm）的厚度，在厚度方面易于叠加、集成，与新一代电子器件的三维架构完美契合。然而，随着尺度的缩小，石墨烯等二维材料的声子输运平均自由程受到尺寸效应的抑制，导热性能急剧下降，钳制了二维材料电子器件的性能、寿命、稳定性。

提升二维材料电子器件的散热、导热能力成为了器件开发的重中之重，却也始终是该领域的一个难题。该领域的科学家不断尝试，提出了石墨烯-六方氮化硼(hBN)-范德华杂化结构(G/BN van der Waals Heterostructure)辅助器件的热管理。尽管传热属性得到了些许提升，但范德华界面薄弱的传热属性依然制约着器件的整体散热，并且杂化结构引入的多级界面不利于器件的性能。

结合以上经验，华中科技大学微纳中心的高远研究员与强磁场中心辛国庆教授团队联手开发了一种全新的散热方法，解决了二维器件散热的长期挑战。研究团队结合理论计算与实验，提出了石墨烯-氮化硼共面异质结散热结构(G/BN in-plane Heterostructure)，该结构有效延长了声子的平均自由程，提升了器件的导热与散热能力，并且有效避免了范德华界面，因而提升了器件的整体性能和稳定性，器件的电流密度与能量密度均创下了领域内的新纪录。相关成果以“Efficient heat dissipation in devices by graphene/hexagonal boron nitride in-plane heterostructure”为题，在线发表于顶级期刊《Cell》的姊妹刊物《Device》（https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00420-4）。论文的通讯作者是辛国庆教授、高远研究员、杨凯博士。文章的第一作者是博士生刘泽鑫与于小童。

新结构电子器件性能的实验测量与表征

本工作首先对装载了异质结构的二维电子器件的性能进行了实验测量。结果显示，在同等实验条件下，异质结二维电子器件的性能（电流密度）远大于普通的石墨烯电子器件。为了进一步揭示该原因，研究团队用数值分析剖析了器件的自热效应。在普通的石墨烯器件中，自热效应导致了显著的热岛效应，热岛的高温降低了器件的电流传输特性，抑制了性能。而在研究团队提出的新型器件中，由于散热能力优良，热岛并不明显，器件的性能未受影响。并且，异质结器件的性能存在尺寸效应，纳米尺寸的器件性能要远好于微米器件。

新结构电子器件性能的实验测量与表征

研究团队对该尺寸效应进行了更为系统的探究。结果显示，在不同的尺寸下，异质结电子器件的性能均好于普通的石墨烯电子器件。值得一提的是，该优势在更小的器件中尤为明显。例如，在两微米的器件中，异质结电子器件的性能好于石墨烯电子器件两倍左右；而在200纳米特征尺寸的器件中，异质结电子器件的优势能够上升至3-6倍。并且，本工作的电流密度与能量密度均创下了新纪录。“电子性能的提升与尺寸效应是否源于传热属性的改善呢？”考虑到声子导热也具备极强的尺寸效应，研究团队采取了理论计算加以验证。

异质结结构的声子自由程提升机理

为充分解析异质结的声子导热机理，研究团队采用了分子动力学计算与晶格动力学分析。非平衡分子动力学能够以人为制温差的方式还原实验中焦耳热被传递的方式，即热量在石墨烯中产生，然后被输运到外延的六方氮化硼中，从而推断出结构的导热性质。计算结果表明，异质结结构和普通石墨烯结构均具备尺寸效应，与实验中的观测相符。并且，在任意尺寸下，异质结结构的有效热导率均好于普通的石墨烯，这一发现更是印证了先前的假说。

为了更好地诠释异质结结构的导热上升机理，研究者对异质结与普通石墨烯进行了详细的声学分析。结果显示，异质结的存在激活了部分石墨烯中的正向、切向声学声子（LA、TA Branch），促进了声子输运。并且，声子能量频谱显示，异质结提升了大部分声子的弛豫时间（Lifetime）和平均自由程，从而显著提升了异质结的导热属性。

以上实验与理论计算的结果无疑印证了结合异质结提升二维电子器件散热性能的有效性，及其对电子器件性能的提升作用。研究为二维材料电子器件的热管理从结构设计的角度提出了一种全新的思路，突破了焦耳热导致的电学性能的限制，使得电流密度与能量密度均创下了纪录。本工作为二维电子器件的热管理提供了新思路，拓展了二维电子材料的应用前景。