成果简介
纳米电子学和纳米电子器件是突破传统微电子瓶颈的重要途径之一，理解低维尺度的热电输运对实现纳米电子学的应用至关重要。碳纳米线圈和二维范德华异质结是一维和二维材料的两个典型代表。碳纳米线圈因其独特的准一维螺旋结构，在微纳传感、纳机电系统、电磁学等领域有着广泛的应用前景。二维范德华异质结结合了组分材料各自的优势，克服了单一二维材料的缺点，正逐渐成为二维电子学的主要研究对象。
我校纳米能源研究中心低维电子器件团队以实现新型纳米电子器件和纳米热电器件为目标，针对碳纳米线圈和石墨烯-二硫化钼异质结的电、热输运特征开展了系列研究，旨在理解对应尺度上的物理效应，为实际应用打下理论基础。研究发现，具有多晶-非晶混合结构的碳纳米线圈有着独特的电子输运特征。sp2纳米晶粒及晶粒间距是电子输运的主要决定因素，缺陷掺杂决定了载流子浓度，同时缺陷程度也决定了载流子散射强度。变温测试发现了载流子浓度和迁移率的反常温度系数，提出sp2晶粒的内热膨胀理论。温度升高，sp2晶粒在c轴方向发生热膨胀，导致态密度和载流子浓度降低，sp2晶粒膨胀导致晶粒间距减小，减弱了载流子散射，从而增大了载流子迁移率。sp2晶粒间的非晶网络中存在大量空位，水分子等小分子可以通过这些空位渗入碳纳米线圈，从而改变碳纳米线圈的物理化学特性。氨水处理在碳纳米线圈中引入了非挥发的饱和水分子，极大地抑制了碳纳米线圈的湿度响应，据此设计了基于单根碳纳米线圈的独立温湿度传感器件。相关研究工作发表于国际著名期刊《今日材料纳米》（Materials Today Nano, 2022, 11, 1000207）和《应用表面科学》（Applied Surface Science, 2022, 605, 154745）。
针对石墨烯-二硫化钼异质结的界面热导，实验上还未有相关报道，而报道的理论计算只考虑了界面的声子耦合，并未考虑界面电子输运对界面热导的影响。该团队利用变温拉曼技术首次测量了石墨烯和二硫化钼的界面热导，发现界面热导与界面粗糙度有着显著关系。团队制备了异质结场效应晶体管，通过调控源漏电压和栅压，发现界面热导可以在55到304 W/mK之间有效调控。通过对界面势垒和电子输运过程的深入分析，他们提出电子辅助声子耦合的热输运机制。该工作发现了界面热导的新机制，同时预言了可能的热整流现象，为新型二维热电器件提供了一个设计思路。相关工作发表于国际著名期刊《碳》（Carbon, 2023, 203, 507）。
应用前景
纳米材料和纳米电子器件已经在电子、能源和传感等领域表现出巨大的应用潜力。该团队的工作揭示了低维热电输运的一些新现象和新效应，为理解其他类似体系提供了理论参考；研究成果有助于科研人员开发基于碳纳米线圈和二维范德华异质结的新型传感器件、热电转换器件和热控晶体管等。
成果展示
图1 单根碳纳米线圈器件及晶粒热膨胀示意图
图2 石墨烯-二硫化钼异质结器件及电子辅助声子耦合示意图
成果完成人
物理科学与工程技术学院：邓承浩
成果转化，请联系成果与合作处，联系人：刘老师，联系电话：0771-3904162。