图 用于测量三层 MoS₂/MoSSe/WSe₂ 异质结界面热导的悬架纳米传感器

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52425601、52327809、52276072）资助下，清华大学航天航空学院曹炳阳教授、王海东副教授团队与北京大学刘开辉教授团队合作，在二维电子器件热流调控领域取得进展。相关研究成果以“三层范德华异质结中的非对称热输运（Asymmetric thermal transport in a trilayer van der Waals heterostructure）”为题，发表于国际学术期刊《自然·电子》（Nature Electronics）。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-026-01620-5。

　　随着三维集成电路技术的飞速发展，芯片内部高功率晶体管产生的热量亟需沿面外（垂直芯片表面）方向高效传导至封装表面，同时还需有效阻挡环境反向热流以保护温度敏感元器件。然而，现有热整流器件尺寸多在数十至数百微米量级，且主要局限于面内方向的热流调控，难以满足纳米尺度多层堆叠芯片对超薄、面外热管理的迫切需求。实现纳米尺度下界面热导的精确控制与非对称声子输运，是芯片热管理领域长期面临的一项重大挑战。

　　受二维材料莫尔超晶格电学调控的启发，研究团队巧妙构建了由二硫化钼、硫硒化钼与二硒化钨（MoS₂/MoSSe/WSe₂）组成的三层范德华异质结。该结构总厚度不足5纳米，相邻层间距仅约0.68纳米。为精确捕捉极薄材料的面外热导差异，团队开发了基于相互垂直悬架金纳米线的高灵敏度传感器，实现了正反向热流的精确测量；同时依托微探针技术，实现了单晶材料转移及两层界面扭角的独立精确控制（图）。实验表明，Janus MoSSe层的引入是实现高效热调控的关键。对比同质结（整流效率低于3%）和双层异质结（约19%），该三层结构在25个扭转角下均表现出从MoS₂到WSe₂方向热导显著升高的特性。通过独立调控界面转角，热整流效率可在23%至104%范围内连续可调，成功将芯片热管理从面内方向拓宽至面外方向。

　　研究团队通过非平衡分子动力学模拟与谱热流计算揭示了其物理机制：源于微观声子输运的对称性破缺。Janus层的引入导致上下界面谱热流特征迥异，MoS₂/MoSSe界面以高频声子主导，而MoSSe/WSe₂界面高低频声子贡献相当。正反向热流切换时，面内与面外声子模式在界面处表现出完全不同的竞争关系，从而引发了显著的非对称热输运特性。工程应用验证结果表明，将异质结集成于场效应晶体管上方后，利用超紫外光反射热成像测温，在58毫瓦功率下，器件表面温差达3.9K。其中，超90%的温差源自界面热导非对称性。研究结果表明团队构建的新型异质结在“智能热界面”领域具有较好的应用潜力。