Um estudo publicado em Materiais Avançados revela as propriedades de transporte térmico de cristais ultrafinos de disseleneto de molibdênio, um material bidimensional da família de dicalcogeneto de metal de transição (TMD). Superando o silício, os materiais TMD provam ser excelentes candidatos para aplicações eletrônicas e optoeletrônicas, como dispositivos flexíveis e vestíveis. Esta pesquisa, que envolveu pesquisadores pertencentes a quatro grupos do ICN2 e do ICFO (Barcelona), Universidade de Utrecht (Holanda), Universidade de Liège (Bélgica) e Instituto Weizmann de Ciências (Israel), foi coordenada pelo líder do grupo ICN2, Dr. Klaas-Jan Tielrooij.
A crescente demanda por componentes e dispositivos extremamente pequenos levou os cientistas a buscar novos materiais que melhor atendessem a essas necessidades. Materiais em camadas bidimensionais (materiais 2D) – que podem ser tão finos quanto uma ou algumas camadas atômicas e são fortemente ligados apenas na direção do plano – atraíram a atenção da academia e da indústria e não deixam de surpreender com suas propriedades peculiares e notáveis. Entre eles, os dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) são promissores para uma variedade de aplicações eletrônicas, optoeletrônicas e fotônicas.

Quando se trata de integração e miniaturização de dispositivos, um aspecto fundamental a ser considerado são as propriedades de transporte térmico dos materiais:na maioria das aplicações, o superaquecimento é um fator crucial que limita o desempenho e a vida útil. Portanto, para aproveitar as propriedades eletrônicas e ópticas dos TMDs, é necessário um profundo conhecimento e controle do fluxo de calor nesses materiais. Em particular, compreender os efeitos da espessura do cristal – até apenas uma camada – e o ambiente no transporte térmico são fundamentais para as aplicações.

Influência da espessura do cristal nas propriedades de dissipação térmica

Um estudo experimental e teórico combinado recentemente publicado em Materiais Avançados investiga a condutividade térmica do disseleneto de molibdênio (MoSe₂ ), que é um material arquetípico de DTM.

David Saleta Reig, Ph.D. estudante e primeiro autor do trabalho, diz:"Realizamos um estudo sistemático dos efeitos da espessura do cristal e ambiente circundante no fluxo de calor. Isso preenche uma lacuna importante na literatura científica sobre materiais 2D." De fato, realizar estudos experimentais confiáveis ​​ou simulações de computador de transporte térmico em uma ampla faixa de espessuras, desde o volume até uma única monocamada molecular, não é uma tarefa fácil. Os autores desta pesquisa conseguiram superar esses desafios e produzir protocolos e resultados válidos não apenas para o estudo de caso, MoSe₂ , mas também para uma gama mais ampla de materiais 2D.

MoSe ultrafino₂ transporta calor mais rápido que o silício ultrafino

As medições experimentais, em combinação com simulações numéricas, levaram a um resultado notável:"Descobrimos que a condutividade térmica no plano das amostras diminui apenas marginalmente ao reduzir a espessura do cristal até uma monocamada com espessura subnanométrica ", explica Sebin Varghese, Ph.D. estudante e segundo autor do estudo. Esse comportamento se origina da natureza em camadas do MoSe₂ e diferencia os materiais TMD dos semicondutores sem camadas, como o silício padrão da indústria. Neste último, a condutividade térmica diminui drasticamente quando a espessura se aproxima do nanômetro, devido ao aumento da dispersão na superfície. Esse efeito é muito menos significativo em materiais em camadas, como MoSe₂ .

Simulações de transporte térmico de primeiros princípios reproduziram os resultados experimentais de forma excelente e levaram a outro resultado surpreendente:"Para os filmes mais finos, o calor é transportado por diferentes modos de fônon do que para os mais espessos", diz a Dra. Roberta Farris, pesquisadora de pós-doutorado que desenvolveu e realizou as simulações ab initio. Por fim, este estudo também esclarece a influência do ambiente do material na dissipação de calor, demonstrando que o MoSe ultrafino₂ é capaz de dissipar o calor de forma muito eficiente para as moléculas de ar circundantes.

Dr. Klaas-Jan Tielrooij, que coordenou o trabalho, diz:"Este trabalho mostra que cristais TMD com espessura (sub)nanômetros têm o potencial de superar filmes de silício tanto em termos de condutividade elétrica quanto térmica neste limite ultrafino." Esses resultados demonstram assim as excelentes perspectivas dos TMDs para aplicações que requerem espessuras da ordem de alguns nanômetros ou menos, por exemplo, no caso de dispositivos flexíveis e vestíveis e componentes eletrônicos em nanoescala. "É claro que resta saber se os TMDs cumprirão suas promessas", conclui o Dr. Tielrooij, "pois há muitos obstáculos a serem superados antes que esses materiais sejam aplicados em escala industrial. propriedades não são - em princípio - um espetáculo."

Os autores deste estudo usaram a técnica de termometria Raman para medir a condutividade térmica de um grande conjunto de MoSe suspenso, cristalino e limpo₂ cristais com espessura sistematicamente variada, tendo o cuidado de identificar e suprimir possíveis artefatos dependentes da espessura. Eles compararam os resultados experimentais com simulações ab initio – baseadas na teoria do funcional da densidade e na teoria do transporte de Boltzmann – realizadas com o método e software SIESTA, que é particularmente adequado para simulações atomísticas com um grande número de átomos. + Explorar mais

Os dicalcogenetos de metais de transição ficam mais fracos quando a espessura diminui