三层范德华异质结构，清华大学Nature Electronics！

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编辑丨风云

研究背景

在三维集成电路中，热量主要通过垂直方向的多个界面从内部组件传导至外部封装。高效的热管理要求热量能顺畅传出，同时通过阻隔反向热流来保护热敏感组件。

关键问题

目前，热传导主要存在以下问题：

1、面外热传输不对称性实现困难

现有的热管理器件通常尺寸在微米量级，且主要针对面内热流调节，难以在不到5纳米的垂直厚度内实现显著的热整流效应。

2、纳米尺度界面声子传输机制不明

在范德华异质结中，如何通过调节层间扭转角和引入Janus材料来精准控制不同模式声子的耦合及其对热传输贡献的差异，仍缺乏深入的实验和理论支撑。

新思路

有鉴于此，清华大学曹炳阳教授、王海东副教授，北京大学刘开辉教授等人报告了一种提供非对称热传输的三层范德华异质结构。这种热Janus晶体由二硫化钼（MoS₂）/硫硒化钼（MoSSe）/二硒化钨（WSe₂）组成，厚度小于5纳米。通过精确调节MoS₂/MoSSe和MoSSe/WSe₂界面的扭转角，非对称性（定义为相反温度梯度下界面热导率的相对变化）可以在23%到104%之间调节。分子动力学模拟表明，MoS₂/MoSSe和MoSSe/WSe₂界面处面内和面外声子模式的贡献不同，这导致了热传输的不对称性。在场效应晶体管的热测试中，使用58 mW微线加热器，当热量从WSe₂流向MoS₂时，与热量通过异质结构向相反方向流动时相比，表面温度降低了3.9 K。

技术方案：

1、制作了X形传感器

开发了一种高灵敏度的悬浮X形传感器，通过微探针操纵技术在金纳米线上精准堆叠具有特定扭转角的三层范德华异质结。

2、表征了原子尺度堆叠

结合SHG光谱、STEM莫尔条纹及像差校正TEM，验证了异质结的原子级平整度、准确的扭转角及紧密的层间接触。

3、探究了面外热导测量和不对称热传输特性

实验发现三层热Janus晶体具有显著的面外热整流效应，其不对称性最高可达104%，且受层间扭转角的显著调控。

4、解析了热传输不对称的物理机制

机制分析表明，Janus材料打破了空间对称性，而莫尔超晶格通过调节面内和面外声子模式的耦合强度导致了非对称热传输。

5、验证了真实设备中热传输的不对称性

在FET器件中验证了该材料能产生3.9 K的显著散热差异，证明了其作为超薄、单向热管理界面材料的巨大应用潜力。

技术优势：

1、首次制备了超薄热Janus晶体

本文首次制备了厚度小于5纳米的MoS₂/MoSSe/WSe₂三层异质结，利用Janus材料MoSSe打破垂直对称性，实现了最高达104%的面外热传输不对称性。

2、揭示了多自由度热导调控机制

研究揭示了通过调节层间扭转角来控制莫尔超晶格周期性，进而调节面内和面外声子模式耦合强度的物理机制，为单向热传导设计提供了新思路。

技术细节

X形传感器的制作

为了测量三层异质结构的面外正反向热导，研究团队设计并制造了悬浮的X形纳米传感器。首先利用物理气相沉积（PVD）在SiO₂/Si基底上制备底层金传感器。随后，采用机械转移技术，通过微操纵系统精准地将单层MoS₂、Janus MoSSe和WSe₂三角形单晶依次堆叠。在转移过程中，利用两根微探针精细调节每层材料的位置和扭转角，其中探针A固定PMMA薄膜的一角，探针B拨动另一角以实现精确的角度调整。之后去除PMMA并在400°C下退火8小时以消除残留污染物。最后，在堆叠结构顶部垂直于底层传感器沉积另一条金纳米线，形成X形交叉。为了提高测量灵敏度，中心3μm × 3μm区域下方的SiO₂和Si被XeF₂气体刻蚀掉，使整个测试装置处于完全悬浮状态，从而消除了基底带来的热损失干扰。

图  制造用于测量三层MoS₂/MoSSe/WSe₂异质结构面外热导的X形传感器

原子尺度堆叠表征

表征工作确保了异质结的高质量和扭转角的精确性。团队利用光学显微镜（OM）初步测量扭转角，并结合偏振分辨二次谐波（SHG）光谱进行验证。由于MoS₂晶格具有三倍对称性，SHG信号展现出清晰的六次旋转对称模式，通过拟合SHG图样获得的角度与OM测量结果高度一致。进一步地，利用扫描透射电子显微镜（STEM）观察到了清晰的莫尔条纹，其实测周期（如2.79 nm、1.47 nm等）与理论扭转角对应的周期严丝合缝，证实了材料的高结晶度和转移技术的可靠性。拉曼光谱映射显示了各层单晶在大面积上的均匀性，特征峰位置符合文献标准。横截面像差校正TEM图像直接展示了平整清洁的界面，测得层间距离（如MoS₂/MoSSe为0.68 nm）与理论预期值0.65 nm基本一致，证明了机械堆叠形成了紧密的原子级接触。

图  扭曲异质结构中扭曲角和莫尔图案的准确表征

面外热导测量和不对称热传输特性

通过切换X形传感器的加热和测温角色，研究者测量了不同热流方向下的面外热导G。在实验前，通过Ids-Vds曲线排除了电学整流效应和短路的干扰。测量发现，纯双层MoS₂结构的热导随扭转角以30°为周期对称变化，且正反方向热导几乎无差异，非对称性η低于3%。而对于MoSe₂/WSe₂异质结，η平均约为19%。最显著的突破出现在MoS₂/MoSSe/WSe₂三层结构中：当热量从MoS₂流向WSe₂（J+方向）时，热导明显高于反方向，最大非对称性达104%（在θ₁=2.2°，θ₂=56.6°时）。研究还发现扭转角对热导有显著调控作用：当各层趋于0°排列时，层间耦合最强，热导达到最大值；随着扭转角增大，由于声子散射增强，热导迅速下降。这证明了通过材料组分和堆叠角度的双重调节，可以大幅增强并微调热传输的不对称性。

图  异质结构面外热导测量电路及不对称传热特性

热传输不对称的物理机制

非平衡分子动力学模拟揭示了热传输不对称性的深层原因。Janus材料MoSSe的引入从分子结构上彻底打破了垂直对称性。光谱热流（SHC）分解表明，不同频率和振动模式的声子对热导贡献迥异。在扭转界面处，莫尔条纹周期L决定了声子耦合：长周期的莫尔模式有利于长波长、低频的面内声子耦合；短周期模式则增强了短波长、高频的面外声子耦合。模拟显示，在MoS₂/MoSSe界面，7–15 THz的高频声子贡献占主导，且面外声子在J+方向贡献更大。在MoSSe/WSe₂界面，低频声子贡献显著增加。这两个界面的SHC分布在正反方向上的显著差异，以及面内与面外声子模式间的竞争与协作，共同导致了整体热传输的高度不对称。这种由莫尔超晶格调控声子光谱匹配的机制，解释了非对称性如何随扭转角变化而波动。

图  非平衡分子动力学模拟揭示了热传输不对称的物理机制

验证真实设备中热传输的不对称性

为了验证实际应用效果，团队制备了一个集成三层异质结的场效应晶体管（FET）原型器件。该器件底部金电极充当焦耳加热器，通过非接触式热反射热成像（TTI）系统测量表面温度分布。实验对比了“正向堆叠”（Au/MoS₂/MoSSe/WSe₂）和“反向堆叠”（Au/WSe₂/MoSSe/MoS₂）两种配置。结果显示，在相同的58 mW加热功率下，反向堆叠配置的表面温升明显低于正向堆叠，温差达到3.9 K。有限元分析证实，该温差的90.5%源于异质结本身的面外热导不对称性。这表明该材料可以作为“智能热界面材料”：当核心部件温度过高时，它能辅助快速散热；而当外部环境温度更高时，它能自动降低热导，通过单向阻塞热流来保护内部组件免受外部热冲击。这种 sub-5-nm 的超薄热 Janus 晶体为芯片级热管理提供了一种极具潜力的柔性解决方案。

图  使用TTI系统验证FET器件中热传输效应的不对称性

展望

本研究通过精准的原子级堆叠技术，成功构建了厚度小于5纳米的MoS₂/MoSSe/WSe₂热Janus晶体，并在实验上实现了突破性的面外热传输不对称性（104%）。研究深刻揭示了层间扭转角对声子传输模式的调控规律，为解决集成电路高密度封装中的垂直热管理难题提供了创新的物理途径，也为开发微纳尺度单向热导器件奠定了基础。

参考文献：

Wang, H., Zhu, H., Xue, G. et al. Asymmetric thermal transport in a trilayer van der Waals heterostructure. Nat Electron (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41928-026-01620-5