背景介紹
在彈道熱輸運(yùn)時二維硼烯具有遠(yuǎn)超石墨烯的量子熱導(dǎo)，但在擴(kuò)散熱輸運(yùn)時由于較強(qiáng)的聲子散射，二維硼烯的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于石墨烯。因此提高硼烯熱導(dǎo)率是硼烯在二維器件溫度控制中應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題。前期研究表明，在雙層δ4硼烯間插入一層鋁原子后能通過增加鍵強(qiáng)抑制聲子散射而增加熱導(dǎo)率，本論文旨在探討通過構(gòu)造雙層硼烯結(jié)構(gòu)來提高熱導(dǎo)率的可能性。
對靠范德華力相互作用結(jié)合的雙層二維材料，其熱導(dǎo)率都顯著低于相應(yīng)的單層材料。這是因?yàn)閷娱g耦合破壞了平面結(jié)構(gòu)的對稱性，從而使得熱導(dǎo)率下降。這個現(xiàn)象在石墨烯、二維六角氮化硼、黑磷以及碲化鉍等材料中都得到了證明。與上述二維材料不同，我們的工作證明雙層硼烯最穩(wěn)結(jié)構(gòu)是共價(jià)鍵結(jié)合結(jié)構(gòu)，由于其中聲子散射被有效抑制，其熱導(dǎo)率顯著高于相應(yīng)的單層結(jié)構(gòu)。我們的工作為提高二維材料熱導(dǎo)率提供了新的理論依據(jù)。
成果簡介 基于密度泛函理論及聲子玻爾茲曼輸運(yùn)方程，本文研究了共價(jià)健結(jié)合的雙層β12硼烯（以下標(biāo)注為bi-β12）的結(jié)構(gòu)變化、穩(wěn)定性及熱輸運(yùn)性質(zhì)。與平面的單層β12硼烯相比，bi-β12硼烯結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯褶皺。通過求解聲子玻爾茲曼輸運(yùn)方程，我們發(fā)現(xiàn)bi-β12沿armchair方向和zigzag方向的晶格熱導(dǎo)率分別為140.5 和86.3 W?m?1?K?1。晶格熱導(dǎo)率的各向異性增強(qiáng)， armchair方向的室溫?zé)釋?dǎo)率比zigzag方向高62.8%。同時雙層的bi-β12在armchair方向的室溫?zé)釋?dǎo)率比單層的提高了52.7%，在zigzag方向晶格熱導(dǎo)率相當(dāng)，這一反?，F(xiàn)象與石墨烯、二維六角氮化硼和黑磷等范德華力結(jié)構(gòu)的雙層結(jié)構(gòu)熱輸運(yùn)性質(zhì)完全不同。最后基于三聲子散射機(jī)制的分析，我們發(fā)現(xiàn)bi-β12的反常高熱導(dǎo)率主要是由于較少的三聲子散射通道和較低的聲子散射強(qiáng)度使得雙層硼烯中三聲子散射壽命較長以及非諧性降低。同時通過比較bi-β12的三聲子相空間和四聲子相空間， 我們發(fā)現(xiàn)在該結(jié)構(gòu)中，三聲子散射占主導(dǎo)作用。 圖文導(dǎo)讀 圖1 雙層β12硼烯的結(jié)構(gòu)示意圖，不同顏色標(biāo)注用于區(qū)分不同原子層的硼原子。 圖2 (a)雙層β12和(b)單層β12的電子局域函數(shù) 圖3 (a) 雙層β12沿armchair和zigzag方向的晶格熱導(dǎo)率（κ）隨溫度的變化曲線。(b)單、雙層β12的室溫?zé)釋?dǎo)率比較。 圖4 單、雙層β12三聲子散射機(jī)制比較：(a)聲子壽命τ，(b)聲子相空間(p3)，(c) 加權(quán)平均散射矩陣元(|Vλ |2)；(d) 雙層β12中聲學(xué)支聲子壽命在聲子色散譜的投影。 圖5 雙層β12的三聲子相空間(P3)和四聲子相空間(P4)比較。 作者簡介 李登峰，重慶郵電大學(xué)教授，重慶市中青年骨干教師，重慶市重點(diǎn)學(xué)科物理學(xué)學(xué)科負(fù)責(zé)人，重慶市物理學(xué)會副理事長，新材料設(shè)計(jì)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。李登峰課題組研究方向主要包括量子輸運(yùn)、熱電性能、自旋電子學(xué)和鈣鈦礦太陽能電池光電性能研究等，其中量子輸運(yùn)包括熱輸運(yùn)、電輸運(yùn)和自旋輸運(yùn)的理論計(jì)算。近五年在Advanced Materials、Nano Letters，Advanced Functional Materials、npj Computational Materials等期刊發(fā)表多篇論文，歡迎相關(guān)方向的博士和博士后到我校工作。 張剛，新加坡高性能計(jì)算研究院高級科學(xué)家，研究室主任。英國物理學(xué)會會士。主要研究方向?yàn)榧{米尺度熱傳導(dǎo)，量子計(jì)算及在納米功能器件、可再生能源方向的應(yīng)用。在國際知名學(xué)術(shù)期刊共發(fā)表SCI論文260余篇，論文總引用19000余次，H因子72。擔(dān)任Nanoscale，ES Energy & Environment，Nanoscale Advances，Journal of Electronic Materials等期刊顧問編委或副編輯。 文章信息 Yan Yin, Yanxiao Hu, Shichang Li, Guangqian Ding, Shifa Wang, Dengfeng Li* & Gang Zhang*. Abnormal thermal conductivity enhancement in covalently bonded bilayer borophene allotrope. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3921-y.
