亞琛工業大學Small綜述: 黑磷烯中的熱輸運

【引言】

黑磷烯（Phosphorene），作為單元素二維半導體材料，具有突出的電學、光學、熱力學等新奇物理性質。黑磷烯不同于零帶隙的石墨烯和硅烯，它具有一個本征的直接帶隙，在半導體器件應用方面具有天然的優勢。自從2014年被理論預測和實驗合成出來，黑磷烯就吸引了廣大科研工作者的研究興趣，短短三年多的時間，相關的研究論文爆發式增加過百萬篇。

黑磷烯在電、光以及熱電方面具有廣泛的應用前景，而其傳熱性質對于器件的工作穩定性和效率具有關鍵性的影響。到目前為止，已有非常多黑磷烯相關的熱輸運研究工作，包括理論上的計算模擬（單層、多層）和實驗中的測量統計（薄膜、塊體）。但對于已有的眾多研究成果，還缺少一個系統完整的綜述，以概述黑磷烯的研究進展和展望未來的研究發展。

【成果簡介】

受邀于Wiley旗下Small期刊編輯部，RWTH Aachen University, Germany的Guangzhao Qin和Ming Hu近日撰寫了以黑磷烯熱輸運為主題的綜述型論文“Thermal Transport in Phosphorene”。作者多年來從事傳熱相關方面的研究，通過近年來對黑磷烯的持續關注及深入認識，對現有的理論和實驗結果進行了系統的總結和分析，給出了黑磷烯從塊體到薄膜多層進而到單層的熱導率變化趨勢，同時討論了若干已報道結果互相出現偏差甚至矛盾的可能原因。此外，作者還討論了外部因素對黑磷烯熱輸運性質的影響，如應變、襯底、異質結、納米結構等，同時對于進一步可能的研究工作給出了一些建議。

【圖文導讀】

圖1：黑磷烯單層結構的(a)頂視圖、側視圖，以及(b)差分電荷密度。

圖2：黑磷烯的(a)聲子譜以及(b)熱導率的各向異性。

圖3：（理論計算）黑磷烯熱導率隨(a,b)截斷半徑和(c,d)格點密度的收斂性測試。通過對互相不一致的收斂趨勢和結果進行對比討論，作者發現在計算過程中截斷半徑的選取至關重要。

表1：黑磷烯在室溫下熱導率數值的總結，可見不同的參數選取對結果的影響非常大。

圖4：多層黑磷烯熱導率隨層數的變化很小。

圖5：黑磷烯的熱導率從單層到塊體的變化，其中對比了不同課題組采用不同研究方法得到的結果，包括理論計算和實驗測量。

圖6：黑磷烯中關于共振鍵的分析。黑磷烯中因弱sp雜化和特殊pucker結構形成的共振鍵對其傳熱性質有著重要的影響。

圖7：基于第一性原理對黑磷烯中聲子非簡諧性的分析。（a-c）沿x，y，z三個方向的能量勢阱，其中的插圖為對應的原子振動模式。（d）沿著三個方向振動的Gamma光學聲子模式的Gruneisen參數隨截斷半徑的變化。（e-k）原子振動所對應的軌道投影態密度。

圖8：應變對黑磷烯熱輸運性質的調控，包括第一性原理計算，非平衡格林函數方法，分子動力學模擬的結果。

圖9：襯底可以增強黑磷烯中熱輸運的各向異性。

圖10：二維異質結結構對黑磷烯熱輸運的影響，石墨烯的存在會增強其熱輸運性質。

文獻鏈接： Guangzhao Qin and Ming Hu, Thermal Transport in Phosphorene,（Small, 2018, DOI: 10.1002/smll.201702465）

本文由亞琛工業大學球球姐提供，特此感謝。

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