Les hétérostructures des couches atomiquement minces aident à contrôler le transfert de chaleur.
Des chercheurs de l’Université métropolitaine de Tokyo ont trouvé de nouvelles façons de contrôler la façon dont la chaleur s’écoule à travers des matériaux minces en empilant des couches atomiquement minces d’atomes dans Hétérostructures de van der Waals. En comparant différents empilements de différents matériaux, voire le même matériau après traitement thermique, ils ont découvert qu’un faible couplage et une inadéquation entre les couches contribuaient à réduire considérablement le transport de chaleur. Leur découverte promet un contrôle sensible du flux de chaleur à l’échelle nanométrique dans les dispositifs thermoélectriques.
La chaleur est partout et elle coule. Nous en sommes témoins tous les jours, lorsque nous touchons une poignée de porte froide, voyons fondre de la glace ou mettons une casserole sur une cuisinière. La chaleur aux mauvais endroits peut également être dommageable. Les exemples incluent la surchauffe de l’électronique, car les micropuces produisent plus de chaleur qu’elles ne peuvent en déplacer pendant qu’elles effectuent des tâches de calcul intensives. Cela peut endommager ou réduire considérablement la durée de vie des appareils électroniques, faisant du contrôle du flux de chaleur à l’échelle nanométrique une préoccupation urgente pour la société moderne.
Différents niveaux de transfert de chaleur se trouvent dans les couches formées (de gauche à droite) par dépôt chimique en phase vapeur, les couches recuites faiblement liées, les couches faiblement liées et les couches alternées constituées de deux matériaux différents. (en médaillon) Image en microscopie électronique de la section transversale d’une structure 4L typique. Crédit : Université métropolitaine de Tokyo
Une équipe dirigée par le professeur Kazuhiro Yanagi de l’Université métropolitaine de Tokyo a travaillé sur des moyens de produire et de manipuler des couches ultrafines d’une classe de matériaux connus sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition. Ici, ils ont pris des couches de bisulfure de molybdène et de diséléniure de molybdène un seul atome épais et les a empilés ensemble en couches de quatre (films 4L). Les couches pourraient être couplées entre elles de différentes manières. La manière unique et douce de l’équipe de transférer de grandes feuilles minces à un seul atome leur a permis de créer des piles de couches liées entre elles par les forces de van der Waals. Ils pourraient également être fortement liés par des techniques plus conventionnelles, en particulier le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Cela donne lieu à un certain nombre de permutations quant à la manière dont les couches isolées pourraient être assemblées et potentiellement contrôler la façon dont la chaleur les traverse.
En utilisant une technique de revêtement spéciale, ils ont pu détecter à quel point de minuscules quantités de chaleur passaient devant ces piles avec une assez bonne précision. Premièrement, ils ont découvert que les couches fortement liées par CVD laissent passer beaucoup plus de chaleur que leurs homologues faiblement liées. Cet effet pourrait être partiellement inversé en recuisant des couches faiblement tenues, rendant la liaison plus solide et améliorant le transport de la chaleur. De plus, ils ont comparé des empilements de quatre couches de sulfure de molybdène à une structure de type « lasagne » constituée de couches alternées de sulfure de molybdène et de séléniure de molybdène. Tel hétérostructures avait un décalage structurel artificiel entre les couches adjacentes d’atomes qui a conduit à des niveaux de transfert de chaleur significativement inférieurs, plus de dix fois moins qu’avec des couches fortement liées.
Les découvertes de l’équipe démontrent non seulement un nouveau développement technique, mais fournissent des règles de conception générales sur la façon dont on pourrait contrôler la façon dont la chaleur circule à l’échelle nanométrique, que vous souhaitiez plus ou moins de flux. Ces connaissances conduiront au développement d’isolants ultrafins et ultralégers ainsi que de nouveaux matériaux thermoélectriques, où la chaleur pourrait être efficacement canalisée pour être convertie en électricité.
Référence : « Control of Thermal Conductance across Vertically Stacked Two-Dimensional van der Waals Materials via Interfacial Engineering » par Wenyu Yuan, Kan Ueji, Takashi Yagi, Takahiko Endo, Hong En Lim, Yasumitsu Miyata, Yohei Yomogida et Kazuhiro Yanagi, 29 septembre 2021 , ACS Nano.
DOI : 10.1021/acsnano.1c03822
Ce travail a été soutenu par les subventions JSPS KAKENHI pour la recherche scientifique (JP17H06124, JP17H01069, JP18H01816, JP20H02573, JP19K15393 et JP18H01832) et les subventions du programme JST CREST (JPMJCR17I5, JPMJCR16F3, JPMJCR17I2).
