随着三维集成电路技术的飞速发展，芯片内部高功率晶体管产生的热量亟需沿面外（垂直芯片表面）方向高效传导至封装表面。同时，还需有效阻挡环境反向热流以保护温度敏感元器件。然而，现有热整流器件尺寸多在数十至数百微米量级，且主要局限于面内方向的热流调控，难以满足纳米尺度多层堆叠芯片对超薄、面外热管理的迫切需求。实现纳米尺度下界面热导的精确控制与非对称声子输运，长期是芯片热管理领域的一项重大挑战。
受二维材料莫尔超晶格电学调控的启发，研究团队首次构建了由二硫化钼、硫硒化钼与二硒化钨（MoS₂/MoSSe/WSe₂）组成的三层范德华异质结。该结构总厚度不足5纳米，相邻层间距仅约0.68纳米。为精准捕捉极薄材料正反方向的热导差异，团队专门开发了高灵敏度悬架纳米传感器，利用相互垂直的悬架金纳米线，通过电学切换在同一物理区域实现了正反向面外热流的精确测量。在样品制备方面，团队依托微探针显微操控技术，实现了单晶材料的精准转移与两层界面扭角的独立精确控制。
图 1. 用于测量三层 MoS₂/MoSSe/WSe₂ 异质结界面热导的悬架纳米传感器
图 2. 扭转异质结中扭转角与莫尔条纹的精确表征
实验系统对比表明，引入具有特殊结构的Janus中间层MoSSe是实现高效热调控的关键。对比同质结（整流效率低于3%）和常规异质结（约19%且难以调控），该三层异质结在25个不同扭角组合下，均表现出从MoS₂到WSe₂方向热导显著升高的特性。通过独立控制两层界面的转角，热整流效率可在23%至104%范围内实现大范围连续调控，成功将芯片热管理从面内方向拓宽至面外方向。
图 3. 界面热导测量电路及 MoS₂/MoS₂、MoSe₂/WSe₂ 与 MoS₂/MoSSe/WSe₂ 异质结的非对称热输运特性
面外热整流效应的物理机制源于微观声子输运的对称性破缺。非平衡分子动力学模拟与谱热流计算揭示，Janus单层MoSSe的引入使其上下两个界面的谱热流呈现截然不同的特征：MoS₂/MoSSe界面热导主要由高频声子主导，而MoSSe/WSe₂界面高低频声子贡献相当。正反热流切换时，面内与面外声子模式在两界面处表现出完全不同的竞争关系，从而引发了显著的非对称热输运特性。
图 4. 揭示热输运非对称性物理机制的非平衡态分子动力学模拟
为进一步验证该效应在真实场景中的工程实用性，团队将异质结集成于场效应晶体管（FET）上方，并利用超紫外光反射热成像技术进行测温。结果显示，在58毫瓦加热功率下，正反向堆叠器件的表面温差达到3.9K，其中超90%的温差源自界面热导的非对称性。这证实了该材料体系具备“智能热界面”的应用潜力：当底层器件高功率工作时能快速导出热量，当外界环境温度高于器件时又会自动减小热导阻止外部热流导入。
图 5. 场效应晶体管中热输运非对称性效应的热反射热成像（TTI）验证
上述成果不仅为构建理想的单向热二极管开辟了方向，更为探索声子调控、摩尔超晶格等新奇物理特性提供了高度可控的二维材料平台，有望催生新一代主动热控功能器件，为下一代高集成度三维电子芯片的散热问题提供了全新方案。
研究成果以“Asymmetric thermal transport in a trilayer van der Waals heterostructure”为题发表于《Nature Electronics》。福利直播
王海东副教授、福利直播
博士研究生朱虹鑫、杨鸿澳，北京大学博士研究生薛国栋为该论文共同第一作者；福利直播
曹炳阳教授、王海东副教授与北京大学刘开辉教授为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金委和重点研发计划微纳电子专项项目的支持。
论文链接：//doi.org/10.1038/s41928-026-01620-5
