Heat Transport in Layered Semiconductors

Abstract

Ha estat un objectiu de llarga durada dels físics entendre com flueix la calor i com afecta les propietats tèrmiques dels materials. Aquesta recerca ha estat impulsada no només per la recerca del coneixement, sinó també per la gran importància de la calor en la vida diària. El descobriment de nous materials ha introduït desafiaments en la comprensió de propietats fonamentals com el transport de calor, alhora que ha obert camins per a avenços tecnològics.

En aquesta tesi, investiguem les propietats de transport de calor d’una classe de materials laminars coneguts com dicalcogenurs de metalls de transició (TMDs). Estudiem aquests materials utilitzant dues tècniques òptiques diferents: la tècnica convencional de termometria Raman i una nova tècnica de termometria espaciotemporal pump-probe que hem desenvolupat.

Amb aquesta nova tècnica, quantifiquem directament la difusivitat tèrmica en el pla dels TMDs. Les difusivitats tèrmiques obtingudes per a MoSe$_2$, fins a un gruix de 3 capes, són consistents amb els resultats obtinguts amb termometria Raman. Curiosament, en mostres monocapa i bicapa, observem una transició en el comportament del transport de calor: des de difusiu en mostres més gruixudes fins a viscós amb molt baixa difusivitat en mostres ultraprimes. Atribuïm aquest transport viscós al flux hidrodinàmic de la calor, un fenomen que mai s’havia observat en TMDs a cap temperatura.

Ha sido un objetivo prolongado de los físicos entender cómo fluye el calor y cómo afecta las propiedades térmicas de los materiales. Esta búsqueda ha sido impulsada no solo por la búsqueda del conocimiento, sino también por la tremenda importancia del calor en la vida diaria. El descubrimiento de nuevos materiales ha introducido desafíos en la comprensión de propiedades fundamentales como el transporte de calor, al tiempo que ha abierto avenidas para avances tecnológicos.

En esta tesis, investigamos las propiedades de transporte de calor de una clase de materiales estratificados conocidos como dicalcohenuros de metales de transición (TMDs). Estudiamos estos materiales utilizando dos técnicas ópticas diferentes: la técnica convencional de termometría Raman y una novedosa técnica de termometría de bomba-sonda espaciotemporal que hemos desarrollado.

Con esta nueva técnica, cuantificamos directamente la difusividad térmica en el plano en los TMDs. Las difusividades térmicas obtenidas para MoSe\(_2\), hasta un grosor de 3 capas, son consistentes con los resultados obtenidos mediante termometría Raman. Interesantemente, en muestras de monocapa y bicapa, observamos una transición en el comportamiento del transporte de calor—de difusivo en muestras más gruesas a viscoso con una difusividad muy baja en muestras ultrafinas. Atribuimos este transporte viscoso al flujo hidrodinámico de calor, un fenómeno que nunca se ha observado en TMDs a ninguna temperatura.

It has been a longstanding goal of physicists to understand how heat flows and how it affects the thermal properties of materials. This quest has been driven not only by the pursuit of knowledge but also by the tremendous importance of heat in daily life. The discovery of new materials has introduced challenges in understanding fundamental properties such as heat transport, while also opening avenues for technological advancements.

In this thesis, we investigate the heat transport properties of a class of layered materials known as transition metal dichalcogenides (TMDs). We study these materials using two different optical techniques: the conventional technique of Raman thermometry and a novel spatiotemporal pump-probe thermometry technique that we have developed.

With this new technique, we directly quantify the in-plane thermal diffusivity in TMDs. The thermal diffusivities obtained for MoSe$_2$, down to a thickness of 3 layers, are consistent with results obtained from Raman thermometry. Interestingly, in monolayer and bilayer samples, we observe a transition in heat transport behaviour—from diffusive in thicker samples to viscous with very low diffusivity in ultrathin samples. We attribute this viscous transport to the hydrodynamic flow of heat, a phenomenon that has never been observed in TMDs at any temperature.