重慶郵電大學&新加坡高性能計算研究院 Nano Letters：通過嵌入金屬原子鋁達成硼烯平面內熱導率三倍提升

引言

由于擁有可與石墨烯（graphene）媲美的鍵強和更輕的原子質量，硼烯（borophene）在聲子彈道輸運尺寸下彈道熱導（ballistic?thermal?conductce）遠超石墨烯。但是一旦進入擴散輸運尺寸，硼烯晶格的強非諧性會急劇地增強聲子與聲子間的散射，最終導致硼烯的擴散熱導率（diffusive?thermal?conductivity）在室溫下不足石墨烯的十分之一。因此如何有效地調控并提高硼烯的熱導率，是硼烯研究中的一個關鍵問題。

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，基于第一性原理和聲子玻爾茲曼輸運理論（phonon?BTE）的方法，對比研究了δ₄硼烯與嵌入Al原子的雙層δ₄硼烯（AlB₆）的聲子擴散輸運性質。有趣的是，加入質量更重的Al原子非但沒有降低體系的熱導率反而使AlB₆在扶手椅方向的熱導率在室溫下達到δ₄硼烯的三倍（160.2 W/mK）。相比于δ₄硼烯中的聲學支與光學支的明顯交叉纏繞，AlB₆受較重的Al原子的影響聲學支與光學支的交疊減少，這有效地降低了聲子散射相空間最終提升了聲子弛豫時間。該工作對金屬-硼烯體系的熱輸運性質提供了一個基礎的認識，也為人們調控二維材料熱傳導性質開創了新的途徑。相關研究成果以?“Three-Fold Enhancement of In-Plane Thermal Conductivity of ?Borophene through Metallic Atom Intercalation”為題?發表在Nano Letters上，重慶郵電大學碩士生胡晏簫和殷艷為本文共同第一作者。

圖文導讀

（上）雙層δ₄硼烯嵌入Al原子形成AlB₆。

（下）δ₄硼烯與AlB₆室溫熱導率

小結

團隊通過第一性原理和聲子玻爾茲曼輸運理論的方法，研究了δ₄硼烯與AlB₆的聲子擴散輸運性質。發現了，在室溫下AlB₆在扶手椅方向熱導率可達δ₄硼烯的三倍。AlB₆中由原子嵌入導致的聲子非諧性減弱為人們調控二維材料熱傳導性質開創了新的途徑。

文獻鏈接

Yanxiao Hu, Yan Yin，Shichang Li，Hangbo Zhou，Dengfeng Li*and?Gang Zhang*，Three-fold enhancement of in-plane thermal conductivity of borophene through metallic atoms intercalation.?Nano Lett.,?2020（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03135）

本文由重慶郵電大學李登峰教授課題組投稿。