当器件迈入纳米尺度，二维材料展现出与体材料不同的热输运特性，但其热传导性质难以被可靠地实验测定。这主要是因为，现有的光谱法等技术通常基于预设的理论模型来测定某一热参数，难以对热传导的不同过程进行实验解耦。在非层状材料等性质较难理论预测的新型纳米材料上，这一影响尤为显著。
针对这一挑战，电子科技大学王曾晖、夏娟、朱健凯、中南大学周喻等研究人员巧妙利用谐振式纳米机电系统（NEMS）作为测热“探针”，构筑双自由度范式，探测了二维非层状材料的热输运性质。与光谱法相比，该研究成果在测量的响应度（输出与输入信号之比）上有六个数量级的提升，在灵敏度（从噪声背景中可测出的最小信号）上也有数千倍的优势。这也是在无需预知热参数的前提下，首次同时对二维非层状材料的面内方向及其与衬底之间的热输运性质进行定量的实验测定。研究人员还基于非层状材料实现了具备在同类结构器件中最优响应度的辐射式测热计。
相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review，NSR）。
研究人员选择β-In2S3这一典型的二维非层状材料（非层状指在三个晶轴方向上均由共价键键合），将其制成NEMS鼓膜式谐振器（下图a），并利用器件动态响应考察纳米片上的热输运过程（下图b）。
(a) 圆形鼓膜型二维谐振器的示意图。(b) 器件内热传导过程的分时建模。
在这些直径不到10 μm的器件中，二维材料既是待测样品，也是机械振动的运动部分。利用团队自主研发的高精度激光干涉位移测量系统，研究者们对谐振器频域响应的空间分布和动态演变实现了有效表征。通过将用于观测振动的激光束同时用于器件加热，研究人员巧妙地调控了激光功率和位置这两个自由度，从而实现了对NEMS器件热稳态和与之相关的器件频域响应的高效调谐（见下图）。
利用激光功率和位置两个自由度调谐的理论分析。(a)和(b)从上到下分别示意器件状态、材料表面温度分布和器件频域响应演变过程。(c)示意将两个自由度相融合的调谐空间。
基于上述机理，研究人员成功实现了在无需预知其他热属性的前提下，对β-In2S3的面内热导率k和β-In2S3与SiO2之间的界面热阻GB的定量测定（见下图）。
对β-In2S3热导率和界面热阻的定量提取。NEMS谐振器受激光位置和功率分别调控的频率响应，绿色球形表示实验数据点，蓝色曲线及阴影表示理论响应和误差区间。
该研究的关键突破在于对k参与的面内热扩散过程和GB参与的界面热传导过程的有效解耦。尽管这两个热传递过程仅在纳秒量级的时间内就先后发生并形成了稳态，利用该研究提出的双自由度方案，研究人员仍能独立地考察不同的热过程。该成果为研究各类新兴纳米材料热性质的实验提供有力的新方案。
团队在研究过程中还发现，β-In2S3作为二维非层状材料，在纳米量级厚度下稳定地表现了出低面内热导的性质。在NEMS谐振器的悬空鼓膜结构中，低热导可演化为易积累热量的特点，使得经设计的器件可高效地受热应力调控，在频域特征上展现出高响应度。
基于此，研究人员提出利用β-In2S3纳米机电谐振器作为高性能辐射式测热计（bolometer）。在研究中，此类器件对低至133 μW的激光功率变化展现出高达410 KHz的频移（见下图），对应的相对响应率高达−447 ppm/μW，代表了公开报道的此类结构器件中的最优性能。
高性能辐射式测热计的实现。 (a) 典型β-In2S3谐振器的归一化谐振响应随激光功率的演变。(b) 图(a)中器件谐振频率随功率增大而显著降低，展现出优良的辐射式测热性能。绿色球形表示从图(a)中提取的频率值，紫色虚线给出其线性拟合。
从理论到实验、从测定到应用，这一基于NEMS谐振器实现的研究方法为充分利用二维非层状材料独特性质的先进器件提供了新的基础和灵感。
论文信息（阅读原文直达）：
Investigating thermal properties of 2D non-layered material using a NEMS-based 2-DOF approach towards ultrahigh-performance bolometer
https://doi.org/10.1093/nsr/nwae248
