超快飞秒激光测量二维层状材料的各向异性热导率
过渡金属硫化物材料是一种层状的二维材料,因具有优异的电学、光学、热电等方面的性质受到学术界的广泛关注。相比之下,人们对层状材料传热性质的研究却相对较少,而且实验和理论计算存在很大的误差。准确测量过渡金属硫化物材料的热导率对于新型二维材料电子器件的热调控以及二维层状材料的热电应用都具有极其重要的意义。
近日,美国科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)机械工程系的杨荣贵教授领导的团队利用超快飞秒激光抽运-探测热反射法对一系列过渡金属硫族化物(MoS2、WS2、MoSe2、WSe2)进行了热导率的测量。该抽运-探测热反射法将一列激光脉冲分成两束:其中一束经调制后作为抽运光对样品进行周期性加热,而另一束则作为探测光来测量样品表面反射率随时间的变化,从而测得样品的热导率。在进行抽运-探测热反射法的测量中,样品表面通常镀有一层100 nm的铝膜作为传感层,其作用是吸收抽运光,反射率也随温度的升高线性增加,从而使反射的探测光被光电探测器收集并产生信号(图1)。为了测量各向异性的二维层状材料在层内和层间不同方向的热导率,杨荣贵教授课题组采用改变抽运光的调制频率以及光斑大小的方法来控制样品中热流传递的方向,使不同实验条件下的实验信号分别对各个方向的热导率灵敏度提高,从而测得其数据。与普通材料不同的是,测得的层状过渡金属硫族化物材料的层间热导率会随着抽运光调制频率的增大而减小,而铝膜与金属硫族化物的界面热导率却随着抽运光调制频率的增大而增大(图2)。结合这一类层状材料的晶格振动色散关系,他们意识到不同频率的晶格振动模式在周期性的加热条件下可能处于不同的温度,从而导致基于局部热平衡假设的傅里叶导热定律失效。于是他们建立了一个双温度导热模型,将高频振动和低频振动的温度区分开来(图3),从而解释了这种新的频率依赖现象,并得出平衡极限下不同方向的热导率(图4)。该工作首次提出了准确测量层状材料各向异性热导率的实验方法,对于理解层状二维材料的热输运具有重要意义。
图1. 超快飞秒激光抽运-探测热反射法测量各向异性二维层状材料的热导率
图2. 超快飞秒激光抽运-探测热反射法测量二维层状材料的层间热导率和界面热导率随抽运光调制频率的变化情况
图3. 双温度模型示意图
图4. 各向异性热导率测量结果
这一成果近期发表在Advanced Materials 上。文章的共同第一作者是美国科罗拉多大学博尔德分校的博士后江普庆和博士研究生钱鑫。上海交通大学的顾骁坤助理教授(2016年毕业于杨荣贵教授研究组并获得工学院2016年度唯一的优秀博士论文奖)参与了这一研究工作。
博士研究生钱鑫、博士后江普庆和杨荣贵教授
来源:材料学