导读
芯片和电子器件越做越小，热量却越来越难散出去。在二维器件中，热量常常需要穿过一个个只有原子级厚度的界面。这些界面看似微小，却是影响器件性能、稳定性和寿命的关键。过去，人们常常把界面导热看作一个需要测量和优化的热阻参数。然而，在二维异质结中，界面并不是被动存在的边界，而是可以通过制备、扭转、应变、插层和器件设计进行调控的热学单元。本文从界面形成、热输运测量、声子机制、界面调控到热功能器件，系统梳理了二维异质结界面导热研究的现状与未来方向。
正文解读
01 二维器件中的界面导热为何如此重要
二维材料的魅力在于其可以像积木一样堆叠或拼接。石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨等原子级厚度材料，可以组成法向堆叠的范德华异质结，也可以形成面内拼接的横向异质结。通过这样的组合，人们能够调控电子、光子、激子和晶格振动，为新型电子器件、光电子器件、存储器和多功能集成系统提供了丰富平台。
当器件工作时，电流、光照、载流子复合或局部开关过程都会产生热量。对于传统体材料，热量可以在较大的体积中扩散；而在二维异质结中，热量往往必须跨过一个个原子级薄的界面，才能传到基底、电极或外部环境中。因此，二维异质结中的界面不只是电子和光子的调控平台，更是热量流动的关键通道。
对于高功率器件，我们希望热量尽快散出，如果界面导热能力不足，热量就会在局部堆积，导致迁移率下降、阈值漂移、性能衰减，甚至器件失效。但在另一些器件结构中，热量并不总是需要被立刻带走。例如在存储、开关、离子迁移、缺陷重构或局部激活过程中，适当的热量局域有助于降低驱动能垒、促进状态转变或维持局部功能区的工作条件。因此，界面热导不再只是越高越好，而应当根据器件功能进行针对性的调控和设计。
图1. 二维异质结界面导热的整体框架
02 界面从哪里来，决定热量怎么走
本文首先讨论了二维异质界面的形成方式，因为其热输运特性从制备那一刻就已经被写入。第一类方式是直接生长，往往通过化学气相沉积等方法。二维材料可以沿着已有晶体的边缘继续生长，形成面内拼接的共价界面；也可以在已有二维材料表面成核，形成法向堆叠的范德华界面。直接生长的优势是界面更洁净、更锐利，也更适合大面积和可集成制备。对于横向异质结来说，原子级锐利的拼接边界还为研究声子限域、相干输运和界面散射提供了独特平台。
第二类方式是转移组装。该方法更像搭积木：先制备单层或少层二维材料，再把其逐层叠放在一起。转移组装的优势是材料选择自由、堆叠顺序可控、扭转角度可调，因此特别适合研究可调范德华界面的声子输运。然而，转移过程中也可能引入聚合物残留、吸附物、气泡和褶皱等。这些看似微小的结构差异，会改变真实接触面积、层间距和界面耦合强度，最终影响界面热导。
因此，本文想强调的第一点在于界面的形成方式决定了界面热设计的起点，一个更干净、更紧密、更可控的界面，往往意味着更明确、更可重复的热输运行为。
图2. 二维异质结的直接生长与转移组装
03 如何测量一个原子级界面的导热能力
界面导热很重要，但并不好测。二维异质界面极薄，热信号很弱，而且通常埋在多层结构、电极、封装层和基底之中。实验上很难直接抓住某一个界面单独测量，更多时候是先测温升、瞬态热响应或电学信号，再通过热传导模型反推出界面热导。
目前常用的方法主要有三类：（1）拉曼热测量利用激光加热材料，同时通过拉曼峰位变化读取温度。由于不同二维材料有不同的拉曼指纹峰，这一方法可以分别获得异质结中不同层的温升，从而推断层间热阻。其优势在于非接触、层选择性强；难点则在于激光吸收率、温度系数和热模型都可能带来误差。（2）TDTR/FDTR等泵浦-探测热反射方法则更适合研究埋藏界面和法向热输运。通过超快激光加热和探测表面反射率变化，从而反推出多层结构中的热阻。这类方法速度快、适合大面积扫描，但结果对多层热模型和传感层参数较为敏感。（3）电学热测量方法，例如悬空微器件和H型器件，可以构建明确的热流路径，尤其适合研究横向异质结中的定向热输运和热整流，其挑战主要来自器件制备复杂、电极接触热阻以及寄生热损失。
上述不同方法各有优势，也各有不确定性，未来更可靠的界面导热测量，需要把空间分辨、时间分辨和原位器件测量结合起来。
图3. 二维异质结界面导热的实验测量方法
04 热量跨过界面，本质上是声子如何通过界面
在二维半导体材料中，热量主要由声子携带。声子可以简单理解为晶格振动的能量量子。二维异质界面热输运，本质上就是声子如何穿过、反射、转换或局域在界面附近。本文将界面热输运机制概括为三类：第一类是弹性散射，声子到达界面后，一部分被反射，一部分透射到另一侧材料，但频率保持不变，这类过程依赖两侧材料的声子谱和极化匹配。第二类是非弹性散射，当两侧材料差异较大时，声子可能在界面处发生能量重分配，例如一个声子转化为多个不同频率的声子。这样的模态转换过程可以打开新的热传输通道，这在声子谱失配显著的异质界面中尤为重要。第三类是界面声子模式，界面本身可能产生特殊的局域振动模式。这些模式有时像桥梁，帮助两侧声子交换能量；有时又像陷阱，把振动能量困在界面附近，从而阻碍热流通过。
过去，界面声子的研究更多停留在理论计算和模型分析中。近年来，随着振动电子能量损失谱、针尖增强拉曼、超快电子衍射和非弹性X射线散射等技术的发展，研究者已经能够在更小尺度上观察界面附近的局域振动、莫尔调制声子以及非平衡晶格动力学。这些实验手段让人们不再只通过一个界面热导数值来推测机制，而是开始直接追踪是哪些声子在界面附近参与了热量传递。
图4. 二维异质界面中的声子输运机制
05 从散热边界到热功能单元
二维异质结最有前景的地方在于其界面热导可以被调控。对于法向范德华界面，可以通过原子配对、缺陷、掺杂、界面化学修饰、扭转、应变、压力和离子插层等方式调节界面热导。扭角可以改变局部原子堆垛和声子散射通道；应变或压力可以改变层间距和接触状态；离子插层则可以改变层间结构、电荷环境和振动耦合。对于面内共价界面，可以通过调节界面锐利程度、过渡区宽度、缺陷结构和边界几何结构，改变声子通过边界的方式。由于横向异质结天然具有结构不对称性，因而特别适合实现方向相关的热输运，如热整流等。
当界面热导能够被设计和调控，二维异质结就不再只是被动的散热单元，而可能成为热功能器件的基础。例如，热二极管可以让热量沿一个方向更容易通过；热开关可以让界面在高热导和低热导状态之间切换；热晶体管则可以通过栅极（电化学插层或外场等）控制热流大小。这意味着未来的二维器件不只是要解决如何散热，还要进一步回答热量应该往哪里走、什么时候走、走多少。界面热流有望从器件设计中的限制因素，变成可主动利用的功能变量。
图5. 二维异质界面导热的调控策略与热功能
研究总结和展望
未来：从测量热导到设计热流
二维异质结界面导热研究正在进入新的阶段。过去，人们更多关心某个界面的热导是多少；未来，核心命题在于能否依据器件需求，精准设计界面的热响应。这一转变需要多方面的共同努力。首先，要建立结构明确的界面热导规律。界面热导不应只对应材料名称，还应对应具体的层间距、堆叠方式、转角大小和缺陷状态。其次，要发展高空间分辨的界面热测量。莫尔条纹、局域褶皱、纳米热斑和重构边界等关键结构，往往只有纳米量级，小于常规热测量的分辨率。未来需要把热成像、光谱、电镜和扫描探针技术结合起来，看到热量在真实界面中的局域流动。第三，要实现原位、可逆和动态调控。真正有用的热功能界面不仅要有较大的调控幅度，还要具备良好的可逆性、响应速度、循环稳定性和器件兼容性。第四，要发展更真实的理论模拟。未来模拟需要从理想界面走向真实界面，考虑莫尔重构、局部起伏、缺陷和外场驱动下的结构变化。
总之，二维异质结为界面导热研究提供了一个独特平台，让我们有机会把原子级界面从不可避免的散热瓶颈，转变为可设计、可测量、可调控、可功能化的热学单元。随着二维电子器件、光电子器件和异质集成技术的发展，界面热流调控有望成为未来纳米热管理和热功能器件的重要基础。
基金支持
本研究得到了国家自然科学基金（52130602、52406098、52576076）、中国博士后科学基金（BX20230176）及清华大学水木学者计划的资助。
通讯作者介绍
张兴 研究员
张兴，清华大学航天航空学院教授，博士生导师，工程热物理研究所所长。曾获国际传热传质中心Hartnett-Irvine Award（2次），教育部自然科学一等奖，日本机械学会热工学国际成就奖，亚洲热物性研究“重大贡献奖”等。发表期刊、国际会议论文600余篇，连续12年被爱思唯尔评为“中国高被引学者”。
详见个人网页：https://www.hy.tsinghua.edu.cn/info/1155/1864.htm
文章信息
作者：张宇峰，樊傲然，马维刚，张兴*
单位：清华大学工程力学系，教育部热科学与动力工程重点实验室
文章题目：Interfacial heat transport in two-dimensional heterostructures: From formation to functionality
DOI：10.70401/tx.2026.0021
本文来自Thermo-X编辑部，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
