近日，电子科技大学王曾晖、夏娟、朱健凯等与中南大学周喻等合作，在纳米机电器件和微纳尺度热学研究上取得重要进展。相关研究成果以“Investigating thermal properties of 2D non-layered material using a NEMS-based 2-DOF approach towards ultrahigh-performance bolometer”为题，发表于综合类期刊《国家科学评论》（National Science Review，NSR）。电子科技大学王曾晖教授、夏娟研究员、朱健凯助理研究员、中南大学周喻教授为共同通讯作者。电子科技大学基础与前沿研究院为第一完成单位。该研究得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金原创探索计划等项目的支持。
微纳器件中的热传导一直是性能革新的关键：许多器件性能都与热释过程密切相关。当器件迈入纳米尺度，声子的平均自由程超越器件厚度，热传导受到边界散射和晶体结构对称性等因素的影响，展现出与体材料不同的热输运特性，这带来了新的机遇也引入了诸多不确定性。更需瞩目的是，近年二维非层状材料的兴起，它们在减薄时会发生晶格重排、表面共价键破缺等现象，展现出许多独特的物化性质。但在这巨大的应用潜力背后，尚存其热传导性质难以被可靠地实验测定的困难。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，研究者们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二维非层状材料的热输运性质。该研究成果与光谱法相比，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。
NEMS谐振器中的激光热效应调谐机理
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，利用器件动态响应考察纳米片上的热输运过程。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。
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。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。
对β-In2S3热导率和界面热阻的定量提取和高性能辐射式测热计的实现
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，对应的相对响应率高达−447ppm/μW，代表了公开报道的此类结构器件中的最优性能。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。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwae248
