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随着晶体管尺寸减小到纳米级，有效的废热散热变得越来越具有挑战性。受Umklapp声子散射的影响，半导体的热导率在较高的温度下下降，并在高功率条件下导致传热恶化。
2022年10月13日，清华大学张兴、吕瑞涛和王海东在Science杂志在线发表题为“Simultaneous electrical and thermal rectification in a monolayer lateral heterojunction”的研究论文，该研究实现了MoSe2-WSe2单层横向异质结构的电和热同步整流(thermal rectification, TR)。原子薄MoSe2-WSe2异质结形成一个高ON/OFF比高达104的电二极管。同时，异质结二极管在高偏置电压下，在ON状态下MoSe2到WSe2形成了首选的散热通道，TR系数高达96%。
由于局部温度梯度引起的TR效应，在较高的温度下获得较高的导热系数。此外，可以通过旋转单层异质结界面的角度将TR因子从最大值调节到零。这一结果为设计具有增强散热性能的新型纳米电子器件开辟了道路。
近几十年来，硅芯片的尺寸不断缩小，正接近其物理极限。寻找具有内在半导体特性的纳米材料一直是电子工业面临的艰巨挑战。迄今为止，半导体碳纳米管、石墨烯纳米带和过渡金属二卤代化物 (transition-metal dichalcogenide, TMD) 单分子层已经成为除硅以外的下一代场效应晶体管的有前途的候选材料。
与碳基半导体相比，单层TMD材料具有直接的电子带隙和较高的ON/OFF比。特别是单分子TMD横向异质结构可以形成原子级的p-n节点，从而使二极管通道的尺寸最小化，这在高集成电子领域有很大潜力进一步推动摩尔定律的极限。然而，小型化和高度集成化必然导致热流密度的增加和节点温度的快速升高。
一般情况下，由于乌姆克拉普声子-声子散射，以声子输移为主的半导体材料的导热系数会随着温度的升高而降低，加速了高功率密度电子器件的热失效。设计一个热导率与温度呈正相关的纳米级整流器，工作在室温以上将是一个理想的解决方案。在没有外部散热通道的情况下，由于半导体材料在较高温度下具有较大的导热性，因此可以通过半导体材料本身散发更多的热量。然而，到目前为止还没有相关的实验结果报道。
在这项研究中，研究人员制作了具有电整流 (electrical rectification, ER) 和热整流 (thermal rectification, TR) 特性的MoSe2-WSe2单层横向异质结构器件，并利用专门设计的悬浮H型传感器对其进行精确测量。在实验中，MoSe2-WSe2单层横向异质结作为一个高效的电二极管，其ON/OFF比高达104。在OFF状态下，反向饱和电流很小，焦耳加热效应可以忽略不计。异质结二极管中没有形成热流和温度梯度，因此声子输运没有首选方向。
合成MoSe2-WSe2横向异质结构及制备H型传感器件（图源自Science ）
在大偏置电压的ON状态下，大电流在异质结区域产生了较大的焦耳加热效应，由此形成了由高阻MoSe2畴向低阻WSe2畴的温度梯度。这恰好是异质结二极管中声子输运和电子迁移的首选方向。在MoSe2到WSe2的首选声子输运方向上，热导率最高可提高96%。利用单层横向异质结同时具有的ER和TR特性，原子薄工作电二极管可以在更高的温度下获得更大的导热系数。
进一步实验证明MoSe2-WSe2横向异质结整流器的TR效应与角度有关。声子垂直穿过异质结界面时TR因子最大。当声子输运方向与异质结界面平行时，TR效应消失。不仅如此，利用分子动力学 (molecular dynamics, MD) 模拟结果与实验数据一致，表明由晶格非谐性触发的非对称异质结界面输运行为可能是侧向异质结构中TR的原因。
综上所示，该研究证明二维MoSe2-WSe2横向异质结构的ER和TR特性同时存在，为开发具有更好散热性能的高集成度电子器件提供了新的设计原则和可能性。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq088
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