信息来源：Nature，X-MOL资讯，UChicago新闻
图片来源：Neuroncollective.com (Daniel Spacek, Pavel Jirak) / Chalmers University
随着集成电路中电子元器件密度越来越高，电子设备所要执行的任务越来越多，更高效的热管理策略和更先进的导热材料就显得尤为重要。如果有一种材料，既能将电子元件产生的热量高效传导到散热系统，又能在其他方向上隔热，避免影响电子设备的整体性能，也避免发烫！这种材料，就是最近比较受关注的各向异性热传导（thermal conduction anisotropy）材料。
晶体中原子呈周期性排列且沿各方向疏密程度不同，经常表现出各向异性，如石墨单晶电导率在不同方向的差异可达千万倍以上。热量在晶体中倾向于面内传导，热导率较大，而面外的热导率则较小，材料的热传导各向异性一般用热量在面内和面外传输的热导率之比ρ来表征。目前使用的工程导热材料在室温下的ρ值一般都小于20，低于自然界中的如石墨（ρ~340）和氮化硼（h-BN，ρ~90）等材料。
热各向异性材料两个方向的热导率及其比值ρ
美国芝加哥大学Jiwoong Park、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校David G. Cahill和瑞典查尔姆斯理工大学Paul Erhart等研究者以“Extremely anisotropic van der Waals thermal conductors”为题在在Nature 期刊发表研究成果，报道了一种利用晶体层间“随机旋转”策略制备多层大面积MoS2（r-MoS2）热各向异性薄膜材料的方法，其面内热导率几乎和单晶一致高达50±6 W m−1K−1，而面外热导率只有57±3 mW m−1K−1，随机旋转阻碍了热量在各层之间传导，两个方向的热导率比值ρ近达~900，是目前报道的最高值之一。
MoS2薄膜与热各向异性传导
设计各向异性高热传导材料有三个必要条件：1、候选材料具有高的本征面内热导率；2、大幅降低面外热导率并同时不影响面内热导率；3、材料制备简单、易集成、尺寸厚度可控。石墨和过渡金属硫化物（TMD）等层状范德华材料，是设计此类材料的理想载体。研究者们通过逐层生长的方法，制备出具有良好长程结晶性的r-MoS2薄膜，随机旋转策略打破了原子尺度上的平移对称性，解决了在保持面内热导率的同时，显著降低面外热导率的问题。
r-TMD薄膜结构
r-MoS2薄膜面外导热性能
r-MoS2薄膜面内导热性能和热传导各向异性
r-MoS2薄膜在金电极上的温度分布及散热效率
此研究成果为新型导热材料的制造开辟一个全新的方向，给电子设备热管理提供了新思路。使用热各向异性薄膜材料制备的器件，热量可有效地通过横向传导出去，而垂直方向近乎热绝缘，几乎不会传递到材料的表面，防止整个器件过热，起到了良好的散热效果。此外，该技术方法有一定的普适性，制备的r-WS2薄膜同样具有r-MoS2材料类似的性能。
原文信息
题目：Extremely anisotropic van der Waals thermal conductors
作者：Shi En Kim, Fauzia Mujid, Akash Rai, Fredrik Eriksson, Joonki Suh, Preeti Poddar, Ariana Ray, Chibeom Park, Erik Fransson, Yu Zhong, David A. Muller, Paul Erhart, David G. Cahill & Jiwoong Park
Nature, 2021, 597, 660-665. DOI: 10.1038/s41586-021-03867-8
