河南科技大學劉鋼Phys. Rev. B.: 單層碲材料各向異性熱膨脹和熱動力學性質

【引言】

通常來說，任何物體都有熱脹冷縮的特性。比如用水壺燒開水時，水壺里的水不能裝得太滿，否則水受熱后由于體積膨脹會溢出；夏天不但空氣很熱，就連地面也被太陽烤得火熱。在陽光曝曬下的自行車，車胎里的空氣受熱膨脹后，不斷地擠壓著車胎。如果車胎里的空氣打得太足，或者車胎上有薄弱的地方，那么它就會把車胎擠爆。有經驗的人告訴我們，為避免夏季自行車爆胎，不要把車胎里的氣打得過足，如果車胎里的氣太足應放出少許，留下氣體膨脹的余量。不僅自行車如此，汽車車胎也有同樣的問題，所以要做好夏季車胎的保養工作。此外，還有公路、鐵路、橋面等大型基建設施都需要考慮熱膨脹的危害，比如留好伸縮縫隙等。當然，我們也會經常利用熱膨脹，如我們常用的溫度計等。

手機、電腦等電子器件的高效工作需要適宜的工作溫度。不同溫度下，不同元器件的熱膨脹系數和熱力學性質是完全不同的，進而對器件的尺寸、電子性質甚至功耗都有不同程度的影響。因此，熱膨脹和熱力學性質是材料/器件應用中必須考慮的重要一環。比如：在高溫下材料會膨脹，產生的熱應力將會極大地影響器件的性能，甚至造成器件的損壞。

【成果簡介】

近日，河南科技大學劉鋼在Physical Review B 上發表了題為“Anisotropic thermal expansion and thermodynamic properties of monolayer β-Te” 的文章。該文章是一篇關于單層碲材料的熱輸運相關工作，文末會給出另外兩篇關于單層碲材料熱輸運的文獻鏈接。基于準簡諧近似方法 (quasi-harmonic approximation, QHA)的理念，文章提出了一種能夠快速且精確計算各向異性材料的熱膨脹性質的方法 (pressure-solving quasiharmonic approximation (PS-QHA))。該方法從本質上解決了傳統的QHA方法下由于拉伸材料產生的聲子虛頻對熱膨脹數據的巨大擾動，是對傳統QHA方法的更新。該文章中計算熱膨脹系數和熱力學性質的方法將為Grüneisen 參數、各向異性的線性熱膨脹系數、以及材料熱機械性能提供更為快速且準確的數據。文章的共同第一作者是河南科技大學劉鋼和同濟大學博士生高志斌。

圖1

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（a）基于第一性原理計算下的各向同性的 2H-MoS₂?和 2H-MoSe₂?的線性熱膨脹系數。圖中黑線基于本文的方法，紅色虛線是之前文獻數據。

圖2

（a）優化后的二維單層碲材料的俯視圖和側視圖。（b）二維單層碲材料在不同應力下的聲子色散關系。綠色代表沒有應力情況，藍色和紅色代表±1%應力下的聲子譜。（c）沿著xyz三個方向的聲子投影態密度。

圖3

二維單層碲材料沿著a軸（a圖）和b軸（b圖）方向的Grüneisen 參數分布。

圖4

（a）二維單層碲材料不同溫度下的晶格常數（b）線性熱膨脹系數。黑線和紅線分別代表a軸和b軸。圖b中的點線是基于傳統QHA的數據。

圖5

（a）傳統QHA方法中使用的晶格常數點。藍色的點代表出現虛頻的晶格常數，紅線代表了二維單層碲材料在熱膨脹過程中實際經過的點。（b）不同溫度下的聲子色散關系。

文章鏈接：

1.Gang Liu, Zhibin Gao, and Jie Ren. “Anisotropic thermal expansion and thermodynamic properties of monolayer β-Te”, Phys. Rev. B 99, 195436 (2019)

2.Zhibin Gao, Fang Tao, and Jie Ren. “Unusually low thermal conductivity of atomically thin 2D tellurium”, Nanoscale, 10, 12997-13003 (2018)

3.Zhibin Gao, Gang Liu, and Jie Ren. “High Thermoelectric Performance in Two-Dimensional Tellurium: An Ab Initio Study”, ACS Appl. Mater. Interfaces,10(47), 40702–40709 (2018)

本文由河南科技大學劉鋼團隊供稿。

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