J. Phys. Chem. Lett.丨獨特的原子排布導致單層Mg2C低熱導率?

一、【摘要】

單層Mg2C擁有類似于石墨烯、MoS2和硅烯的平面蜂窩狀結構，然而其熱導率比石墨烯低兩個數量級，甚至低于相對原子質量更大的MoS2。該工作探索了導致低熱導率的內在機理。

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二、【引言】

熱電材料作為一種能實現熱能和電能之間直接相互轉換的材料，以其優異的物理特性引起了廣泛的關注，在多個領域有著重要應用。熱電轉換效率可用無量綱熱電優值來衡量。

因此，降低材料的晶格熱導率是提高ZT值的一種有效途徑。因此，涌現了一大批通過應力、外加電場、摻雜、缺陷等方式實現熱導率可控調節的研究，但材料本征的低熱導率是一個亙古不變的研究課題。近期，MXene材料以其高比表面積和高電導率，良好的光致發光性能等特性而聞名。二維Mg2C作為一種典型MXene材料，具有類石墨烯的平面蜂窩狀結構，并在高達900 K的溫度下保持結構穩定。慮到單層Mg2C的熱學性能尚未得到充分挖掘，本工作基于第一原理求解玻爾茲曼輸運方程，對1T結構的Mg2C、2H-MoS2、石墨烯、硅烯的傳熱性能開展了系統的對比研究。不同于以往研究規律中，相對原子質量較小的體系擁有高熱導率，盡管Mg和C原子重量較輕，Mg2C的熱導率仍低于MoS2的熱導率。通過深入研究發現，Mg2C中原子的獨特排列方式（C原子處于中間平面）是導致其低熱導率的關鍵。這項工作將為熱功能材料的設計和熱電應用提供理論依據。

三、【成果簡介】

近日，湘潭大學物理與光電工程學院的王慧敏和秦光照（湖南大學）、姚亞剛（南京大學）、歐陽滔（湘潭大學）等人合作報道了二維1T三明治結構Mg2C的低熱導率及機制。基于第一性原理計算，通過與具有相似平面蜂窩狀結構的2H-Mo2S，石墨烯和硅烯的熱導率深入對比分析，發現盡管Mg2C相對原子質量小，其熱導率仍低于MoS2，且遠低于（兩個數量級）石墨烯，而和硅烯相當。進一步分析發現，Mg2C特殊的幾何結構（較輕的C原子處于中間平面）一方面導致其內在特殊的聲子能帶結構，ZA聲學聲子分支無交叉的獨立于其他聲子分支，且具有兩個帶隙，限制了聲子-聲子散射，降低了聲子弛豫時間；另一方面形成了共振建，同時由于Mg和C之間存在較大的電負性差異，形成強極性共價鍵，進而導致強的聲子非諧性。在兩方面因素的共同作用下導致了Mg2C的低熱導率。

該工作已在近日發表于SCI期刊：

The Journal of Physical Chemistry Letters?12,?10353-10358 (2021)

四、【圖文導讀】

圖1.?二維Mg2C、MoS2、石墨烯和硅烯的結構圖及聲子譜。

不同于大多數1T或2H結構中重原子位于中間平面，Mg2C中較輕的C原子位于中間層，導致由C原子貢獻的聲子分支振動頻率異常高，從而產生了兩個獨特的帶隙，這會極大的影響聲子-聲子散射。

圖2. Mg2C、MoS2、石墨烯和硅烯熱導率及各聲子分支對熱導率的貢獻百分比的對比分析。

Mg2C(20.26 W/mK)的熱導率和硅烯(19.21 W/mK)相當，是MoS2(40.59 W/mK)的一半，而比石墨烯(3094.03 W/mK)低兩個數量級。值得關注的是，在Mg2C的1T結構打破了基于鏡面對稱的聲子-聲子散射準則情況下，ZA分支仍對熱導率起主導貢獻作用。這說明，結構的鏡像對稱性并不是ZA分支主導熱輸運的必要條件。

圖3. Mg2C、MoS2、石墨烯和硅烯的群速度、聲子弛豫時間、散射相空間的對比分析。

Mg2C和MoS2有相當的聲子群速度和比熱，因此Mg2C熱導率低于MoS2是因為其較低的聲子弛豫時間。通過對散射相空間和Grüneisen參數的對比分析發現，低的聲子弛豫時間主要來源于Mg2C的強聲子非諧性。

圖4. Mg2C、MoS2、石墨烯和硅烯的電子能帶結構圖（a-d）和電子局域函數圖（e-f）的對比分析。

在Mg2C中，由于Mg和C原子的強電負性差和獨特的電子結構，形成強極性共價鍵和共振鍵。導致強的聲子非簡諧性，進而降低熱導率。

五、【文獻鏈接】

Huimin Wang, E Zhou, Fuqing Duan, Donghai Wei, Xiong Zheng, Chao Tang, Tao Ouyang*, Yagang Yao*, Guangzhao Qin*, Jianxin Zhong, Unique Arrangement of Atoms Leads to Low Thermal Conductivity: A Comparative Study of Monolayer Mg2C, The Journal of Physical Chemistry Letters?12, 10353-10358 (2021).??DOI:?10.1021/acs.jpclett.1c02944

本文由王曉霞供稿。