近日，东南大学机械工程学院陈云飞教授课题组在热输运增强研究中取得重要进展，发现了在准一维晶体材料中通过掺杂可实现7倍以上的导热系数增强，并揭示了准一维结构对热输运增强的重要作用和内在机理。相关成果以Unexpected doping effects on phonon transport in quasi-one-dimensional van der Waals crystal TiS3 nanoribbons为题，发表在《Nature Communications》上。
晶体掺杂是半导体微电子工业广泛使用的一种核心技术，但该技术一直以来被认为只能够降低导热系数。随着半导体微电子工业的不断发展，散热问题成为了制约芯片性能提升的关键瓶颈，使得提高导热系数增强芯片散热能力的研究迫在眉睫。因此，如何通过掺杂实现导热系数的提升对半导体行业的进一步发展至关重要。
针对上述问题，陈云飞教授团队在准一维范德华晶体TiS3纳米带中掺杂氧原子，并发现室温附近沿着b轴方向可实现7.4倍的导热系数提升。通过原子力显微镜、高分辨透射电子显微镜、EDS和XPS测量发现，导热系数增加的原因是杨氏模量的增加，内在机制是氧原子掺杂引起的晶格收缩。进一步利用第一性原理计算发现，在准一维材料中掺杂小直径原子会沿着纳米带方向引起晶格收缩，从而增强原子间作用力；更重要的是在其他两个方向上由于弱的范德华作用，晶体结构和原子间相互作用没有明显改变。二者结合使得纳米带方向上的声子速度大大提升，从而实现导热系数的提升。与准一维材料相比，在三维晶体材料中掺杂会在所有方向上引起质量、晶格和势能的畸变，大大增加声子散射、降低导热系数。这项工作为低维材料导热系数的主动调控尤其是增强调控提供了一条崭新的路径。
南京师范大学刘晨晗副教授、东南大学博士生吴超和南洋理工大学陈显翼博士为论文共同第一作者，东南大学陈云飞教授、杨决宽教授和南洋理工大学颜清宇教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和江苏省双碳专项-基础前沿等项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41425-0
供稿：机械工程学院