Layered materials for thermal management and sensing applications

Abstract

Els materials en capes 2D van der Waals s'han explorat àmpliament recentment per a aplicacions d'electrònica, optoelectrònica i detecció. Especialment perquè els transistors d'efecte de camp basats en materials en capes podrien ser una possibilitat per substituir els transistors basats en silici als xips. Tanmateix, per tal de superar la fallada del dispositiu causada pel sobreescalfament i aplicar materials en capes de manera més eficient als dispositius electrònics, es requereix una millor comprensió de les propietats tèrmiques i els mètodes de gestió tèrmica. En aquesta tesi, diversos materials en capes, com els dicalcogenurs de metalls de transició MoS2 i WS2; PtSe2 i SnSe2 es van preparar mitjançant diferents tècniques per a l'estudi de la gestió tèrmica. S'han aplicat àmpliament dues tècniques principals per mesurar la conductivitat tèrmica en el pla i en el pla creuat d'aquests materials mitjançant la termometria Raman de dos làser i la termoreflectància del domini de la freqüència, respectivament. Les membranes autònomes SnSe2 i MoS2 de gruix variable (16 — 190 nm) es van fabricar mitjançant una combinació de mètodes d'exfoliació mecànica i de transferència en sec. Els resultats obtinguts mostren que la conductivitat tèrmica en el pla i transversal dels materials en capes augmenta amb l'augment del gruix i que la conductivitat tèrmica en el pla dels materials en capes disminueix amb l'augment de la temperatura. A SnSe2, es va trobar que la proporció d'anisotropia de conductivitat tèrmica independent del gruix era d'uns ~ 8, 4 i la conductivitat tèrmica de dependència de la temperatura es va debilitar gradualment amb la disminució del gruix. Es van sintetitzar pel·lícules primes de PtSe2 cristal·lines (1 — 40 capes) i policristalines mitjançant la tècnica d'epitaxia de feix molecular. A més, el transport de calor entre pla balístic va ser de fins a ~ 30 capes en PtSe2, i la conductivitat tèrmica transversal de les pel·lícules policristalines era aproximadament un 35% inferior a la d'una pel·lícula de PtSe2 cristal·lina de 20 capes de gruix del mateix gruix. PtSe2 tenia la curta vida del fonó acústic en el rang de picoseguons i una constant elàstica fora del pla de 31, 8 GPa amb una velocitat de grup depenent de la capa que va des de 1340 ms-1 en bicapa fins a 1873 ms-1 en vuit capes. El següent, per controlar la conductivitat tèrmica de MoS2, es va aplicar el recuit i el nanopattern per augmentar i disminuir la conductivitat tèrmica dels materials de MoS2, respectivament. Els nanosheets de MoS2 es van sintetitzar mitjançant el mètode d'exfoliació de solució i es van fabricar per a membranes independents. Es va trobar que la conductivitat tèrmica de la pel·lícula basada en nanosheets MoS2 va millorar aproximadament un 140% després del recuit. A més, es van fabricar membranes autònomes de MoS2 de gruix variable (4,5 - 40 nm) de la mateixa manera que la membrana SnSe2 en capes, vam estudiar la conductivitat tèrmica en el pla en funció del gruix, la porositat i la temperatura, tant a la verge com a la membranes de MoS2 suspeses amb nanopatró. Després del nanopatró amb un feix d'ions enfocat, vam obtenir una reducció de més de 10 vegades de les conductivitats tèrmiques per al període de forat de 500 nm i un valor per sota d'1 W/mK durant el període de 300 nm, que mostra que el MoS2 en capes és molt més sensible a la matriu de forats feta per nanopatró que el silici i el carbur de silici. Els resultats van ser recolzats per simulacions dinàmiques moleculars d'equilibri tant per a MoS2 prístina com amb nanopatró. També hem aplicat el MoS2 amb nanopatró per a aplicacions .....

Los materiales en capas 2D de van der Waals han sido ampliamente explorados recientemente para aplicaciones electrónicas, optoelectrónicas y de detección. Especialmente porque los transistores de efecto de campo basados en materiales en capas podrían ser una posibilidad para reemplazar los transistores basados en silicio en los chips. Sin embargo, para superar la falla del dispositivo causada por el sobrecalentamiento y aplicar materiales en capas de manera más eficiente a los dispositivos electrónicos, se requiere una mejor comprensión de las propiedades térmicas y los métodos de gestión térmica. En esta tesis, varios materiales estratificados, como los dicalcogenuros de metales de transición MoS2 y WS2; Se prepararon PtSe2 y SnSe2 mediante diferentes técnicas para el estudio de la gestión térmica. Se han aplicado ampliamente dos técnicas principales para medir la conductividad térmica en el plano y en el plano transversal de estos materiales mediante termometría Raman de dos láseres y termorreflexión en el dominio de la frecuencia, respectivamente. Se fabricaron membranas independientes de SnSe2 y MoS2 de espesor variable (16 a 190 nm) mediante una combinación de métodos de exfoliación mecánica y transferencia en seco. Los resultados obtenidos muestran que la conductividad térmica en el plano y en el plano transversal de los materiales estratificados aumenta al aumentar el espesor y que la conductividad térmica en el plano de los materiales estratificados disminuye al aumentar la temperatura. En SnSe2, se encontró que la relación de anisotropía de la conductividad térmica independiente del espesor era de aproximadamente ~ 8.4 y la conductividad térmica dependiente de la temperatura se volvió gradualmente más débil con la disminución del espesor. PtSe2 cristalino (1 — 40 capas) y películas delgadas policristalinas se sintetizaron utilizando la técnica de epitaxia de haz molecular. Además, el transporte de calor entre planos balísticos fue de hasta ~30 capas en PtSe2, y la conductividad térmica entre planos de las películas policristalinas fue aproximadamente un 35 % más baja que la de una película de PtSe2 cristalino de 20 capas de espesor del mismo espesor. PtSe2 tuvo una vida útil corta de fonones acústicos en el rango de picosegundos y una constante elástica fuera del plano de 31,8 GPa con una velocidad de grupo dependiente de la capa que va desde 1340 ms-1 en bicapa hasta 1873 ms-1 en ocho capas. El siguiente, para controlar la conductividad térmica de MoS2, se aplicaron recocido y nanopatrones para aumentar y disminuir la conductividad térmica de los materiales de MoS2, respectivamente. Las nanoláminas de MoS2 se sintetizaron mediante el método de exfoliación en solución y se fabricaron para membranas independientes. Se descubrió que la conductividad térmica de la película basada en nanoláminas de MoS2 mejoró en aproximadamente un 140 % después del recocido. Además, se fabricaron membranas independientes de MoS2 de espesor variable (4,5 a 40 nm) de la misma manera que la membrana de SnSe2 en capas. Membranas suspendidas de MoS2 nanoestructuradas. Después de nanopatrones con un haz de iones enfocado, obtuvimos una reducción de más de 10 veces de las conductividades térmicas para el período hueco de 500 nm y un valor por debajo de 1 W/mK para el período de 300 nm, lo que muestra que el MoS2 en capas es mucho más sensible a la matriz perforada hecha por nanopatrones que el silicio y el carburo de silicio. Los resultados fueron respaldados por simulaciones dinámicas moleculares de equilibrio para MoS2 prístino y nanopatrón. También aplicamos el MoS2 nanopatrón para aplicaciones de enrutamiento de calor para bloquear y guiar el calor lejos del punto de acceso a través de una ruta predefinida en la dirección del plano. En consecuencia, las regiones modeladas actúan como ...

2D van der Waals layered materials have been recently widely explored for electronics, opto-electronics, and sensing applications. Especially as layered materials-based field-effect transistors could be a possibility for replacing silicon-based transistor in chips. However, in order to overcome the device failure caused by overheating and apply layered materials more efficiently to electronic devices, a better understanding of thermal properties and thermal management methods are required. In this thesis, various layered materials, such as transition metal dichalcogenides MoS2 and WS2; PtSe2 and SnSe2 were prepared by different techniques for the study of thermal management. Two main techniques have been extensively applied to measure the in-plane and cross-plane thermal conductivity of these materials using Two-laser Raman thermometry and Frequency domain thermoreflectance, respectively. SnSe2 and MoS2 free-standing membranes of varying thickness (16 — 190 nm) were fabricated by a combination of mechanical exfoliation and dry-transfer methods. The results obtained show that the in-plane and cross-plane thermal conductivity of the layered materials increase with increasing thickness and that in-plane thermal conductivity of layered materials decreases with increasing temperature. In SnSe2, the thickness-independent thermal conductivity anisotropy ratio was found to be about ~8.4 and the temperature-dependence thermal conductivity became gradually weaker with decreasing thickness. PtSe2 crystalline (1 — 40 layers) and polycrystalline thin films were synthesized using the molecular beam epitaxy technique. Furthermore, the ballistic cross-plane heat transport was up to ~30 layers in PtSe2, and the cross-plane thermal conductivity of polycrystalline films was about 35% lower than that of a 20-layers-thick crystalline PtSe2 film of the same thickness. PtSe2 had the short acoustic phonon lifetimes in the range of picoseconds and an out-of-plane elastic constant of 31.8 GPa with a layer-dependent group velocity ranging from 1340 ms-1 in bilayer to 1873 ms-1 in eight layers. The next, to control the thermal conductivity of MoS2, annealing and nanopatterning were applied to increase and decrease the thermal conductivity of MoS2 materials, respectively. MoS2 nanosheets were synthesized using the solution-exfoliation method and fabricated for free-standing membranes. It was found that the thermal conductivity of MoS2 nanosheets-based film improved by about 140% after annealing. Additionally, MoS2 free-standing membranes of varying thickness (4.5 — 40 nm) were fabricated in the same way as layered SnSe2 membrane, we studied of the in-plane thermal conductivity as a function of thickness, porosity, and temperature in both pristine and nanopatterned suspended MoS2 membranes. After nanopatterning with a focused ion beam, we obtained a more than a 10-fold reduction of the thermal conductivities for the holey period of 500 nm and a value below 1 W/mK for the period of 300 nm, which shows the layered MoS2 is much more sensitive to the holey array made by nanopatterning than silicon and silicon carbide. The results were supported by equilibrium molecular dynamic simulations for both pristine and nanopatterned MoS2. We also applied the nanopatterned MoS2 for heat routing applications for blocking and guiding heat away from the hotspot through a pre-defined path in the in-plane direction. Accordingly, the patterned regions act as a high thermal resistance, and only four patterned lattice periods of 300 nm yielded a thermal resistance of 4·10-6 m2K/W with, highlighting the great potential of MoS2 in thermal management applications. Finally, the samples included MoS2 and WS2 nanosheets were synthesized using the solution-exfoliation method. MoS2 and WS2 nanosheets were applied for high-performance humidity sensors with fast responsivity and long working time, and another interesting finding is that the metal salts coated sensors showed reversed sensing behaviors owning to changes in their morphology during measurement.