Dans les puces à haute-puissance-densité de puissance et les appareils électroniques post-loi de Moore, la capacité de dissipation thermique est devenue un facteur critique affectant la fiabilité des appareils. Les hétérostructures de Van der Waals composées de matériaux bidimensionnels-, avec leurs structures de bandes concevables et leurs excellentes propriétés électroniques, sont considérées comme des systèmes candidats importants pour les dispositifs intégrés de prochaine-génération. Cependant, leur application a longtemps été limitée par une conductivité thermique insuffisante aux interfaces. Lorsque différents matériaux 2D sont empilés, l'inadéquation des modes de vibration du réseau (phonons) entraîne une faible efficacité de transport thermique à travers l'interface, la conductance thermique interfaciale typique n'étant que de l'ordre de ~10 MW·m⁻²·K⁻¹, ce qui est insuffisant pour répondre aux exigences de dissipation thermique des dispositifs hautement intégrés. Pendant longtemps, la croyance dominante dans la communauté universitaire était que l’introduction d’un angle de torsion entre les couches perturberait la symétrie du réseau et améliorerait la diffusion désordonnée, réduisant ainsi la conductivité thermique interfaciale. Par conséquent, la « torsion » était généralement considérée comme un facteur supprimant le transport thermique.
Cependant, des recherches récentes menées par une équipe ont révisé cette compréhension. Les chercheurs ont construit des hétérostructures bicouches MoS₂/WS₂ avec différents angles de torsion et ont systématiquement mesuré leur conductance thermique interfaciale. Les résultats ont montré que lorsque l'angle de torsion augmentait de 0 degré à 38 degrés, la conductance thermique interfaciale augmentait d'environ 12 MW·m⁻²·K⁻¹ à environ 30 MW·m⁻²·K⁻¹, soit une amélioration d'environ 2,5 fois.
Ce phénomène provient d'un mécanisme de transport thermique unique à l'interface hétérogène. L'étude indique que la conduction thermique à travers l'interface MoS₂/WS₂ est dominée par la diffusion inélastique des phonons. À une interface non torsadée, la diffusion inélastique contribue déjà à environ 55 % de la conductance thermique interfaciale ; lorsque l'angle de torsion est d'environ 21,8 degrés, cette contribution augmente jusqu'à environ 70 %. L'introduction d'un angle de torsion modifie la distribution d'énergie des phonons au niveau de l'interface, permettant aux phonons optiques à haute fréquence d'exciter plus efficacement les phonons acoustiques du côté opposé grâce à la conversion de fréquence, augmentant ainsi les canaux de transfert de chaleur à travers l'interface.
Cela explique également les effets différents de la modulation de l'angle de torsion entre les interfaces homogènes et hétérogènes : les interfaces homogènes reposent généralement sur la diffusion élastique, et la torsion introduit une résistance thermique supplémentaire ; alors que les interfaces hétérogènes dépendent intrinsèquement de la diffusion inélastique et que la torsion renforce ce mécanisme dominant, entraînant ainsi une conduction thermique améliorée.
Du côté expérimental, l'équipe a mis en place un processus de transfert de grande-qualité et de grande surface-pour fabriquer des structures avec des angles de torsion contrôlables allant de 0 degrés à 60 degrés. En combinant une technique de cartographie de thermoréflectance dans le domaine temporel à haut débit (TDTR) avec des algorithmes de réseau neuronal, ils ont obtenu une mesure statistique spatiale de la résistance thermique interfaciale, améliorant ainsi la fiabilité des données.
Sur la base de ces résultats, l'équipe de recherche a proposé une « théorie améliorée des perturbations » : dans les interfaces hétérogènes dominées par une diffusion inélastique, l'introduction de perturbations interfaciales telles que la torsion, le glissement ou l'ondulation peut reconfigurer la distribution d'énergie des phonons, permettant ainsi une augmentation contrôlable de la conductance thermique interfaciale. Cette réalisation fournit une nouvelle image physique pour la gestion thermique des interfaces dans les matériaux 2D et offre une base théorique pour la conception de la gestion thermique des dispositifs électroniques à haute-puissance.