Nano Energy: 應變對熱導率的調控起源

【引言】

熱傳導的有效調控在納米能源技術的高性能熱管理中起著關鍵作用的角色。半導體中的熱傳導中主要由聲子輸運承擔，因此對聲子輸運的基本認識對于熱流的有效控制具有重要意義，而且是一個與能源技術相關，具有巨大實際意義的的熱物理問題，如電制冷、熱電技術、相變存儲、熱器件(二極管、晶體管、邏輯門)等。在過去的幾十年中，很多研究致力于通過改變材料的幾何構型或者原子的相對位置實現熱輸運的有效調控，比如合理的材料外形設計和組分控制，包括納米結構設計，在材料中引入孔洞，進行物理化學處理（氫化、氧化等）等等。此外，有效的熱調制也可以通過應變工程實現。由于應變工程具有很強的柔韌性和魯棒可靠性，其已成為實現連續可調熱輸運的最有前途和最有效的途徑之一。而且在許多系統的實際情況下，合成的材料和納米級器件通常在制造后都含有殘余應變。因此，對于熱導率的應變工程調控的研究具有非常重要的現實意義。然而，以往的研究主要集中于如何通過機械應變來調節熱導率，而對其調控效應的本質起源的基本認識還有很多不清楚，這些深入認識與理解對于更加有效、精準的熱導率調控具有影響深遠的指導作用。

以石墨烯為代表的二維(2D)材料在許多領域已經被大量研究了很多年，其中單層的六角氮化硼(h-BN)具有寬帶隙(~5.0-6.0eV)，可以作為對無帶隙石墨烯的應用替代材料，使得二維氮化物在促進下一代納米電子技術發展過程中發揮關鍵作用。除此之外，在最近的研究中，h-BN、六角氮化鋁和氮化鎵(h-AIN和h-GaN)也被成功地制造合成出來，并因其獨特的電光性質而受到廣泛關注。因此，這些二維第三主族氮化物(h-BN, h-AIN, h-GaN)的熱輸運性質，尤其是其對外部機械應變的響應，對設計能量相關的新型器件具有極大的意義，特別是在有特殊傳熱需求的高性能先進熱管理方面。

【成果簡介】

近日，德國亞琛工業大學（RWTH Aachen University，Germany）的Guangzhao Qin（第一作者）、ZhenzhenQin、Huimin Wang和現任職于美國南卡大學（University of South Carolina, USA）的Ming Hu（通訊作者）通過對一類具有平面結構的二維材料進行系統的研究，建立了在二維系統中孤立電子對驅動強聲子非諧性的微觀圖像，為熱導率的應變調控效應提供了本質起源的理解。基于精確的第一性原理計算，研究人員報道了一類二維平面結構的熱導率在應變作用下反常增加一個數量級的現象，該現象與具有相似平面結構的石墨烯中應變誘導的熱導率降低形成了強烈的對比。深入的分析表明，應變作用下熱導率的反常增加原因在于隨著原子距離的增加，孤立電子對與鄰近原子的成鍵電子相互作用減弱，因此系統的非簡諧性減弱，導致了熱導率在應變作用下的反常增加。該研究揭示了熱運輸的應變調控機理，對于未來能源納米技術和應用的相關研究將有很大的助益。

該工作于近日發表在國際頂級SCI期刊Nano Energy（影響因子：12.343）。

【圖文導讀】

圖1. 應變導致的反常熱導率增加，原因主要在于聲子弛豫時間的變化。

一般意義上，對于褶皺起伏的二維材料，熱導率會隨著應變拉伸導致的結構變平而增加，并且這種增加很長時間以來被認為是起伏結構所特有的。然而，精確的第一性原理計算發現，一類二維平面結構的熱導率在應變作用下反常增加一個數量級，該現象與具有相似平面結構的石墨烯中應變誘導的熱導率降低形成了強烈的對比。

圖2. 熱導率以及聲子散射非簡諧性的對比分析。

對比分析發現，該類二維平面結構熱輸運性質的差別，原因不在于傳統認識的聲子整體流動（phonon hydrodynamics）以及散射相空間、散射通道等，而在于非簡諧性之間的區別。

圖3. 聲子譜和態密度分析。

基于聲子譜和聲子狄拉克點的演化分析，發現直觀上的原子質量差不能解釋h-BN中的強非簡諧性以及低熱導率，因此其非簡諧性背后必然存在更深層次的原因。

圖4. 電子結構和孤立電子對。

進一步的研究表明，h-BN與graphene的大π鍵不同，h-BN中的N原子有兩個s電子未參與成鍵，而是形成了孤立電子對。孤立電子對與成鍵電子相互作用引入額外的原子振動回復力，導致更加非對稱的勢阱和更強的非簡諧性。

當對材料施加拉伸應變的時候，原子間距離變大，孤立電子對與成鍵電子的相互作用減弱，因此系統的非簡諧性減弱，導致熱導率的反常增加。

【致謝】

該工作得到了德國自然科學基金的支持，相關計算在RWTH cluster進行。作者特別感謝美國加州大學圣芭芭拉分校的岳圣瀛博士，以及德國亞琛工大楊家躍博士和張禮川的討論與幫助。

【參考文獻】hen Qin, Huimin Wang, and Ming Hu^*, Lone-pair electrons induced anomalous enhancement of thermal transport in strained planar two-dimensional materials, Nano Energy 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.05.040

【團隊作者介紹】

秦光照于2011年在鄭州大學物理工程學院獲得學士學位，2015年在中國科學院大學獲得碩士學位，隨后赴德國在亞琛工業大學攻讀博士學位，將于2018年8月畢業。曾獲國家優秀自費（非公派）留學生獎學金，為多個知名國際期刊（如PRL等）審稿人，同時兼任留德中國物理學者學會理事。主要從事力學性質、電子結構、晶格振動、聲子熱輸運等的第一性原理計算研究，重點關注微納尺度能量輸運與轉換問題。截止于2018年5月，共計合作出版發表學術專著2部，2個軟件著作權，SCI論文近40篇，其中3篇ESI高被引論文。相關論文主要發表在Nano Energy, Nano Lett., J. Phys. Chem. Lett., Small, npj Computational Materials, Nanoscale, Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett. 等國際主流期刊。論文總被引700余次，h因子為10。

秦真真博士于1991年11月出生于河南。2017年獲得南開大學博士學位，之后獲德國政府自然科學基金資助的亞琛高等計算工程科學研究院（AICES）全額獎學金，赴德國亞琛工業大學從事博士后研究。主要研究方向為低維材料的力學、磁性、熱輸運性質的理論計算與模擬研究。至2013年起，近五年在Nanoscale，J. Phys. Chem. Lett.?等知名國際學術期刊上，總計發表20篇SCI論文（其中一作含3篇一區Nanoscale），Google Scholar總引用400余次。?

王慧敏在中國（沈陽）東北大學獲得碩士學位，目前為東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室和德國亞琛工業大學聯合博士研究生。研究方向為微納尺度熱傳導的計算模擬研究和強磁場材料的實驗控制過程。

胡明博士于2001年獲中國科學技術大學機械工程系學士學位，2006年獲中國科學院力學研究所固體力學博士學位。隨后分別在美國倫斯勒理工學院和瑞士蘇黎世聯邦理工學院從事多年博士后研究工作。在德國亞琛工業大學任教5年之后，于2018年3月加入了美國南卡羅萊納大學機械工程系并獲永久位置。目前的研究興趣包括新型能源系統中的微納尺度熱傳輸，特別是對于低維材料和納米結構，先進熱管理中的界面傳熱，以及復雜能量輸運過程的多物理建模。截止于2018年5月，共計合作出版發表學術專著4部，高影響力SCI論文100余篇，并在重要的國際會議及研討會中發表15次邀請報告。相關論文主要發表在Nano Energy, Nano Lett., J. Phys. Chem. Lett., Small, npj Computational Materials, Nanoscale, Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett. 等國際主流期刊。論文總被引2000余次，h因子為28。

領域工作匯總

1. 應變對熱導率的調控起源
2. 孤立電子對一定會導致低熱導率嗎？
3. 綜述: 黑磷烯中的熱輸運
4. 快速準確預測晶格熱導率的“小技巧”
5. 外加電場導致硅烯中的超低熱導率
6. 單層氮化鎵（GaN）熱導率的反常溫度依賴關系
7. 為什么單層GaN熱導率那么低？
8. 黑磷烯中共振鍵導致的強非簡諧性和低熱導率

本文由球球姐供稿。

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