Физики приручили теплопроводность дихалькогенидов

Двумерные полупроводники — плоские кристаллы, размещенные на объемной подложке. Они имеют многослойную структуру, где каждый слой обладает прочными связями «по горизонтали», но слабыми — с другими слоями. Это приводит к неэффективному рассеянию тепла, что ограничивает применение двумерных материалов в промышленности. Но самостоятельно они могут отличаться рекордной теплопроводностью — таким свойством обладает, например, графен.

В новой работе ученые использовали в качестве полупроводника дисульфид молибдена (MoS₂), который принадлежит к группе дихалькогенидов переходных металлов (TMDs). Такие материалы имеют прямую запрещенную зону, но их теплопроводность оценивается в 100 ватт на метр на кельвин в плоскости и только 2 ватта на метр на кельвин «по вертикали» — между слоями. Коэффициент анизоптропии в них при этом достигает около 50 единиц.

В эксперименте авторы нарушили атомарную структуру MoS₂ с помощью ионов лития, которые вводились между слоями. Когда содержание ионов достигло 34 процентов, «горизонтальная» теплопроводность материала составила 45 ватта на метр на кельвин, «вертикальная» сократилась до 0,4 ватта на метр на кельвин. При этом коэффициент анизотропии возрос до 100 единиц, иными словами, частота перемещения тепла вдоль слоистости удвоилась.

Последующее уменьшение или увеличение концентрации ионов лития сокращало коэффициент анизотропии. Однако, по словам ученых, в обоих случаях результат удавалось предсказать, что делает показатель контролируемым. Открытие может  найти практическое применение в сфере электроники: химические и физические свойства двумерных материалов являются перспективными для эластичных, тонких и легких устройств.