近日，我院张力发教授、赵云山教授课题组在低维材料散热与器件热管理领域接连取得研究进展。相关结果1以“Thickness-Dependent Heat Dissipation in CrOCl Heat-Escaping Channel”为题发表在国际重要期刊《Advanced Functional Materials》，影响因子19.6。课题组博士生杨宇为论文的一作，我院张力发教授和赵云山教授为论文的通讯作者。
相关结果2以“Multifunctional Native Defects Boosting the Thermoelectric Transport in Few-Layer PdPS”为题发表在国际重要期刊《Advanced Electronic Materials》，影响因子6.6。课题组博士生余泽浩为论文的一作，我院赵云山教授为论文的通讯作者。
随着芯片集成化、小型化和三维堆叠的持续推进，“热死亡”问题已成为未来芯片发展的重大挑战。石墨烯因其超高的热导率常被用于增强面内热输运，但其优异的导电性却会对场效应晶体管（FET）产生电干扰，从而限制了实际应用。为避免电干扰，氧化石墨烯（GO）被广泛研究，但由于其热导率仅为本征石墨烯的十分之一，导致散热效果大幅下降。此外，六方氮化硼（h-BN）因具备较高的面内热导率和良好的界面热导，经常用于芯片散热。然而，除了石墨烯和 h-BN，目前尚无其他二维材料被视为散热领域的有力候选者。值得注意的是，当前研究往往忽略了二维散热材料几何结构对热逃逸通道设计与优化的关键影响，尤其是通道厚度的合理选择，这一因素对提升热管理性能至关重要。
在这项工作中，本课题组通过差分3ω方法，测量了不同厚度的二维CrOCl 样品的面外热导率，并通过对比发现其面外热导率随厚度增加，数值不断增大的趋势。在相同厚度下，CrOCl的面外热导率为0.4Wm-1K-1，显著超过石墨烯（0.25 Wm-1K-1）和h-BN（0.2 Wm-1K-1），因此认为其在热耗散方面具有重大前景。为了精确表征二维热耗散通道的散热性能，本课题组开发了差分测温法，研究发现更薄的CrOCl器件中瞬态温升比更厚的器件高28%，稳态温升增加了220%，并利用三维有限元方法计算了与实验完全一致的结构，获得了相似的结果。该工作不仅为二维材料散热领域提供了新的材料选择，而且为热逃逸通道的设计与优化提供了重要的指导。
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202412469
此外，本课题组在热电领域发表重要文章。随着电子器件集成化和小型化的持续发展，二维电子器件中的废热回收与再利用问题引起了广泛关注。热电效应能够将废热直接转化为电能，并且不释放有害物质，因此备受研究者青睐。然而，低维热电材料的能量转换效率普遍较低，限制了其进一步发展，因此如何有效提升二维材料的热电性能已成为亟待解决的关键问题。提高二维材料的热电优值（ZT）需要材料同时具备低热导率、高电导率和高塞贝克系数，但由于这三个参量相互耦合，很难通过单独提升某一参量来显著提高 ZT，从而增强热电转换效率。因此，如何解耦这些参量并优化二维热电材料的综合性能，已成为当前热电研究领域的重要挑战。
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202400634
本课题组发现，二维材料 PdPS 因其极其褶皱的晶格结构，本征具有超低的面内热导率，是优异的二维热电材料候选者。本研究通过真空退火法系统研究了不同厚度、不同方向的少层 PdPS 的热电性能。经过450 K 退火后的材料中形成大量缺陷，这些缺陷作为载流子供体，提高了电导率和电子迁移率，同时在带隙中引入带间态，显著提升了塞贝克系数。此外，缺陷作为声子散射中心，进一步降低了热导率，从而解耦了与热电性能相关的关键参数，使其室温功率因子（PF）提高至 0.648 mW m⁻¹ K⁻²，在低热导率二维热电材料中表现出显著优势。该工作不仅为二维热电材料的调控与发展提供了指导，也为探索新型二维材料的各向异性热电输运提供了新的思路。
该系列研究工作得到了国家重点科技发展计划、国家自然科学基金、江苏省特聘教授计划、江苏省自然科学基金等经费资助。
