重慶郵電大學&新加坡高性能計算研究院 Advanced Functional Materials 拉伸驅動提高氫化硼烯的超高熱導和聲子傳輸中維數交叉研究

【引言】

作為二維材料中的“超級明星”，石墨烯具有已知最高的室溫熱導率，因而在溫度控制相關的領域有廣闊的應用前景。追求更高更好是人類長期的目標。那么，是否存在其他二維材料，具有更好的熱傳導性能，甚至超過石墨烯呢？硼作為碳在元素周期表中的“鄰居”，其單原子層結構是近年來的研究熱點之一。在超高真空條件下，在單晶Ag(111)襯底上成功地生長了單層硼烯（borophene）。通過表面氫化得到的單層氫化硼烯（borophane）更具有優越的結構穩定性。這樣我們不禁會想到，borophane是否具有和石墨烯相比擬的熱導或者超過石墨烯？

【成果簡介】

近日，重慶郵電大學理學院的李登峰教授課題組和新加坡高性能計算研究院張剛教授（共同通訊）課題組合作，在Advanced Function Materials上發表了題為“Stretch-Driven Increase in Ultrahigh Thermal Conductance of Hydrogenated Borophene and Dimensionality Crossoverin Phonon Transmission”的文章，該工作基于第一性原理和非平衡格林函數（NEGF）的方法，研究了氫化硼烯（borophane）的導熱性質，發現室溫下borophane在扶手椅方向的熱導（thermal conductance）明顯高于石墨烯。更有趣的是，在聲子傳輸中觀察到一個維度交叉現象，其中低頻聲子（ω<950cm^-1）呈現二維傳輸特征，而高頻聲子（950cm^-1<ω<1450cm^-1）表現為一維傳輸，這也是扶手椅方向具有超高熱導的原因。另一方面，對borophane施加應力時，觀察到熱導隨單軸拉伸應變增加而增加的反常現象。這一反常現象是由氫化硼烯獨特的褶皺結構和化學鍵特性所決定的。由于borophane具有良好的平面內剛度和可塑性，以及高熱導，因此在柔性熱通道方面具有很好的應用前景。同時，borophane所具有的這種獨特的聲子傳輸維度交叉現象為探索聲子模式空間、聲子霍爾效應等新奇物理效應提供了理想的研究體系，也為人們調控納米材料熱傳導性質開創了新的途徑。

【圖文導讀】

圖一：borophane的晶格結構和原胞。

圖二：通過第一性原理計算得到的聲子譜和態密度。

?圖三：（a）熱導和溫度的關系（b）透射系數和頻率的關系

【小結】

研究團隊通過第一性原理和非平衡格林函數方法（NEGF）研究了borophane的熱輸運性質，通過borophane的聲子透射譜可以發現維度交叉現象，低頻聲子二維傳輸而高頻聲子只沿扶手椅方向傳輸，從而導致了沿扶手椅方向的量子熱導高于石墨烯，borophane具有的獨特的鍵結構為實現高熱導通道提供了一條新途徑。同時，研究組還探討了borophane的結構穩定性和應變效應，由于其獨特的褶皺結構和沿扶手椅方向的σ鍵線鏈，單軸拉伸應力使得熱導的增加。

文獻鏈接："Stretch-Driven Increase in Ultrahigh Thermal Conductance of Hydrogenated Borophene and Dimensionality Crossoverin Phonon Transmission"（Advanced Function Materials，2018，DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.201801685）

課題組簡介

重慶郵電大學理學院量子信息與自旋電子學科研團隊由朱家驥教授和李登峰教授負責，課題組成員由10名博士組成，有自旋電子學、量子輸運和量子計算三個方向。其中量子輸運方向主要研究新型材料的熱輸運、電輸運、自旋輸運和熱電性能，設計新型的納米器件以及預測新結構，團隊成員曾在Nature Communications、Nanoscale、Journal of Materials Chemistry C 等期刊發表科研成果，最近還首次理論研究了橫向二維超晶格異質結ZrSe₂/HfSe2的熱電性能，理論預測其n型和P型超晶格的ZT因子分別高達5.3和3.2，該成果發表在Nanoscale（2018, 10, 7077 - 7084 ）。

本文由李登峰教授課題組供稿。

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