The van der Waals (vdW) heterostructures employing graphene and hexagonal boron nitride (h-BN) have emerged as a typical system for building emergent two-dimensional devices, such as atomically thin transistors or capacitors. Herein, we study the nonlinear thermal transport in such vdW heterostructure by non-equilibrium molecular dynamics simulations. The results show that an obvious negative differential thermal resistance (NDTR) phenomenon can be observed under small temperature bias when the interlayer coupling becomes stronger. The vibrational spectra analysis manifests that the phonon filtering mechanism induced by interlayer coupling greatly hinders the interfacial thermal transport. To obtain the optimum conditions, the dependence of NDTR on the system length, lateral width, external temperature, and defect density is taken into account. Our findings extend the phonon filtering mechanism to thermal information processing.

1.
D. L.
Nika
and
A. A.
Balandin
,
Rep. Prog. Phys.
80
,
036502
(
2017
).
2.
A. A.
Balandin
,
ACS Nano
14
,
5170
(
2020
).
3.
H.
Kim
,
G.
Park
,
S.
Park
, and
W.
Kim
,
ACS Nano
15
,
2182
(
2021
).
4.
N.
Li
,
J.
Ren
,
L.
Wang
,
G.
Zhang
,
P.
Hänggi
, and
B.
Li
,
Rev. Mod. Phys.
84
,
1045
(
2012
).
5.
A.
Sood
,
F.
Xiong
,
S. D.
Chen
,
H. T.
Wang
,
D.
Selli
,
J. S.
Zhang
,
C. J.
McClellan
,
J.
Sun
,
D.
Donadio
,
Y.
Cui
,
E.
Pop
, and
K. E.
Goodson
,
Nat. Commun.
9
,
4510
(
2018
).
6.
M.
Kasprzak
,
M.
Sledzinska
,
K.
Zaleski
,
I.
Iatsunskyi
,
F.
Alzina
,
S.
Volz
,
C. M. S.
Torres
, and
B.
Graczykowski
,
Nano Energy
78
,
105261
(
2020
).
7.
C.
Melis
,
G.
Barbarino
, and
L.
Colombo
,
Phys. Rev. B
92
,
245408
(
2015
).
8.
X.
Yang
,
D.
Yu
, and
B.
Cao
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
24078
(
2017
).
9.
S.
Hu
,
M.
An
,
N.
Yang
, and
B.
Li
,
Small
13
,
1602726
(
2017
).
10.
H.
Wang
,
S.
Hu
,
K.
Takahashi
,
X.
Zhang
,
H.
Takamatsu
, and
J.
Chen
,
Nat. Commun.
8
,
15843
(
2017
).
11.
X.
Yang
,
X.
Zheng
,
Q.
Liu
,
T.
Zhang
,
Y.
Bai
,
Z.
Yang
,
H.
Chen
, and
M.
Liu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
28306
(
2020
).
12.
R.
Shrestha
,
Y.
Luan
,
X.
Luo
,
S.
Shin
,
T.
Zhang
,
P.
Smith
,
W.
Gong
,
M.
Bockstaller
,
T.
Luo
,
R.
Chen
,
K.
Hippalgaonkar
, and
S.
Shen
,
Nat. Commun.
11
,
4346
(
2020
).
13.
K.
Ren
,
H.
Qin
,
H.
Liu
,
Y.
Chen
,
X.
Liu
, and
G.
Zhang
,
Adv. Funct. Mater.
32
,
2110846
(
2022
).
14.
J.
Zhang
,
X.
Wang
,
Y.
Hong
,
Q.
Xiong
,
J.
Jiang
, and
Y.
Yue
,
Nanotechnology
28
,
035404
(
2017
).
15.
X. K.
Chen
,
Z. X.
Xie
,
Y.
Zhang
,
Y. X.
Deng
,
T. H.
Zou
,
J.
Liu
, and
K. Q.
Chen
,
Carbon
148
,
532
(
2019
).
16.
Y.
Wang
,
A.
Vallabhaneni
,
J.
Hu
,
B.
Qiu
,
Y. P.
Chen
, and
X.
Ruan
,
Nano Lett.
14
,
592
(
2014
).
17.
X. K.
Chen
,
J.
Liu
,
Z. X.
Xie
,
Y.
Zhang
,
Y. X.
Deng
, and
K. Q.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
121906
(
2018
).
18.
A. Y.
Nobakht
,
Y. A.
Gandomi
,
J.
Wang
,
M. H.
Bowman
,
D. C.
Marable
,
B. E.
Garrison
,
D.
Kim
, and
S.
Shin
,
Carbon
132
,
565
(
2018
).
19.
B.
Li
,
L.
Wang
, and
G.
Casati
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
143501
(
2006
).
20.
Y.
Ming
,
H. M.
Li
, and
Z. J.
Ding
,
Phys. Rev. E
93
,
032127
(
2016
).
21.
Y.
Yang
,
D.
Ma
,
Y.
Zhao
, and
L.
Zhang
,
J. Appl. Phys.
127
,
195301
(
2020
).
22.
X. K.
Chen
,
J.
Liu
,
Z. H.
Peng
,
D.
Du
, and
K. Q.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
091907
(
2017
).
23.
F.
Li
,
J.
Wang
,
G.
Xia
, and
Z.
Li
,
Nanoscale
11
,
13051
(
2019
).
24.
F.
Torrisi
,
T.
Hasan
,
W.
Wu
,
Z.
Sun
,
A.
Lombardo
,
T. S.
Kulmala
,
G.-W.
Hsieh
,
S.
Jung
,
F.
Bonaccorso
,
P. J.
Paul
,
D.
Chu
,
A. C.
Ferrari
, and
A. C.
Ferrari
,
ACS Nano
6
,
2992
(
2012
).
25.
D.
Wu
,
L.
Huang
,
P. Z.
Jia
,
X. H.
Cao
,
Z. Q.
Fan
,
W. X.
Zhou
, and
K. Q.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
063503
(
2021
).
26.
T.
Chen
,
W.
Ding
,
H.
Li
, and
G.
Zhou
,
J. Mater. Chem. C
9
,
3652
(
2021
).
27.
Y.
Li
,
Z.
Feng
,
Y.
Ma
,
Y.
Tang
,
L.
Ruan
,
Y.
Wang
, and
X.
Dai
,
Physica E
131
,
114751
(
2021
).
28.
M.
Liu
,
C. L.
Yang
,
M. S.
Wang
, and
X. G.
Ma
,
Physica E
135
,
114960
(
2022
).
29.
Y.
Tang
,
J.
Shi
,
W.
Chen
,
Y.
Li
,
H.
Tian
,
Y.
Cui
,
Z.
Wang
,
Z.
Feng
, and
X.
Dai
,
Fuel
319
,
123810
(
2022
).
30.
Y. J.
Zeng
,
Y. X.
Feng
,
L. M.
Tang
, and
K. Q.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
183103
(
2021
).
31.
D.
Ma
,
X.
Wan
, and
N.
Yang
,
Phys. Rev. B
98
,
245420
(
2018
).
32.
X.
Wu
and
Q.
Han
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
13
,
32564
(
2021
).
33.
A. A.
Balandin
,
Nat. Mater.
10
,
569
(
2011
).
34.
H.
Zhou
and
G.
Zhang
,
Chin. Phys. B
27
,
034401
(
2018
).
35.
W.
Ren
,
Y.
Ouyang
,
P.
Jiang
,
C.
Yu
,
J.
He
, and
J.
Chen
,
Nano Lett.
21
,
2634
(
2021
).
36.
X.
Meng
,
T.
Pandey
,
J.
Jeong
,
S.
Fu
,
J.
Yang
,
K.
Chen
,
S.
Akash
,
F.
He
,
X.
Xu
,
J.
Zhou
,
W. P.
Hsieh
,
A. K.
Singh
,
J. F.
Lin
, and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
155901
(
2019
).
37.
X. K.
Chen
,
M.
Pang
,
T.
Chen
,
D.
Du
, and
K. Q.
Chen
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
15517
(
2020
).
38.
A. J.
Pak
and
G. S.
Hwang
,
Phys. Rev. Appl.
6
,
034015
(
2016
).
39.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
(
1
),
1–19
(
1995
).
40.
L.
Lindsay
and
D. A.
Broido
,
Phys. Rev. B
81
,
205441
(
2010
).
41.
C.
Sevik
,
A.
Kinaci
,
J. B.
Haskins
, and
T.
Çağın
,
Phys. Rev. B
86
,
075403
(
2012
).
42.
Z.
Zhang
,
S.
Hu
,
J.
Chen
, and
B.
Li
,
Nanotechnology
28
,
225704
(
2017
).
43.
B. Q.
Ai
,
M.
An
, and
W. R.
Zhong
,
J. Chem. Phys.
138
,
034708
(
2013
).
44.
N.
Stander
,
B.
Huard
, and
D.
Goldhaber-Gordon
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
026807
(
2009
).
45.
Q.
Liu
,
J. J.
Li
,
D.
Wu
,
X. Q.
Deng
,
Z. H.
Zhang
,
Z. Q.
Fan
, and
K. Q.
Chen
,
Phys. Rev. B
104
,
045412
(
2021
).
46.
L. M.
Sandonas
,
A. R.
Mendez
,
R.
Gutierrez
,
J. M.
Ugalde
,
V.
Mujica
, and
G.
Cuniberti
,
J. Phys. Chem. C
123
,
9680
(
2019
).
47.
A.
Yousefzadi Nobakht
and
S.
Shin
,
J. Appl. Phys.
120
,
225111
(
2016
).
48.
L.
Lindsay
and
D. A.
Broido
,
Phys. Rev. B
85
,
035436
(
2012
).
49.
Q.
Cai
,
D.
Scullion
,
W.
Gan
,
A.
Falin
,
P.
Cizek
,
S.
Liu
,
J. H.
Edgar
,
R.
Liu
,
B. C. C.
Cowie
,
E. J. G.
Santos
, and
L. H.
Li
,
Phys. Rev. Lett.
125
,
085902
(
2020
).
50.
X.
Zhang
,
M.
Hu
, and
D.
Poulikakos
,
Nano Lett.
12
,
3410
(
2012
).
51.
D.
Shiri
and
A.
Isacsson
,
J. Appl. Phys.
125
,
125101
(
2019
).
52.
A.
Ramiere
,
S.
Volz
, and
J.
Amrit
,
J. Phys. D
49
,
115306
(
2016
).
53.
S.
Yin
,
Q.
Luo
,
D.
Wei
,
G.
Guo
,
X.
Sun
,
Y.
Li
,
Y.
Tang
,
Z.
Feng
, and
X.
Dai
,
Physica E
142
,
115258
(
2022
).
54.
Q.
Luo
,
S.
Yin
,
X.
Sun
,
G.
Guo
, and
X.
Dai
,
Diamond Relat. Mater.
128
,
109223
(
2022
).
55.
X. K.
Chen
and
K. Q.
Chen
,
J. Phys.: Condens. Matter.
32
,
153002
(
2020
).
56.
T.
Feng
,
W.
Yao
,
Z.
Wang
,
J.
Shi
,
C.
Li
,
B.
Cao
, and
X.
Ruan
,
Phys. Rev. B
95
,
195202
(
2017
).
57.
X. K.
Chen
,
X. Y.
Hu
,
P.
Jia
,
Z. X.
Xie
, and
J.
Liu
,
Int. J. Mech. Sci.
206
,
106576
(
2021
).
58.
W. X.
Zhou
,
Y.
Cheng
,
K. Q.
Chen
,
G.
Xie
,
T.
Wang
, and
G.
Zhang
,
Adv. Funct. Mater.
30
,
1903829
(
2020
).
59.
Y.
Zhao
,
M.
Zheng
,
J.
Wu
,
X.
Guan
,
A.
Suwardi
,
Y.
Li
,
M.
Lal
,
G.
Xie
,
G.
Zhang
,
L.
Zhang
, and
J. T. L.
Thong
,
Nanoscale
13
,
11561
(
2021
).
60.
Z.
Lu
,
A. M.
Chaka
, and
P. V.
Sushko
,
Phys. Rev. B
102
,
075449
(
2020
).
61.
M.
Bruna
,
A. K.
Ott
,
M.
Ijäs
,
D.
Yoon
,
U.
Sassi
, and
A. C.
Ferrari
,
ACS Nano
8
,
7432
(
2014
).
62.
P. Z.
Jia
,
Y. J.
Zeng
,
D.
Wu
,
H.
Pan
,
X. H.
Cao
,
W. X.
Zhou
,
Z. X.
Xie
,
J. X.
Zhang
, and
K. Q.
Chen
,
J. Phys.: Condens. Matter.
32
,
055302
(
2020
).
63.
G. F.
Xie
,
Y. L.
Shen
,
X. L.
Wei
,
L. W.
Yang
,
H. P.
Xiao
,
J. X.
Zhong
, and
G.
Zhang
,
Sci. Rep.
4
,
5085
(
2014
).
64.
R.
Stern
,
T.
Wang
,
J.
Carrete
,
N.
Mingo
, and
G. K.
Madsen
,
Phys. Rev. B
97
,
195201
(
2018
).
65.
B. F.
Donovan
,
E.
Sachet
,
J. P.
Maria
, and
P. E.
Hopkins
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
021901
(
2016
).
You do not currently have access to this content.