重庆邮电大学&新加坡高性能计算研究院 Advanced Functional Materials 拉伸驱动提高氢化硼烯的超高热导和声子传输中维数交叉研究

【引言】

作为二维材料中的“超级明星”，石墨烯具有已知最高的室温热导率，因而在温度控制相关的领域有广阔的应用前景。追求更高更好是人类长期的目标。那么，是否存在其他二维材料，具有更好的热传导性能，甚至超过石墨烯呢？硼作为碳在元素周期表中的“邻居”，其单原子层结构是近年来的研究热点之一。在超高真空条件下，在单晶Ag(111)衬底上成功地生长了单层硼烯（borophene）。通过表面氢化得到的单层氢化硼烯（borophane）更具有优越的结构稳定性。这样我们不禁会想到，borophane是否具有和石墨烯相比拟的热导或者超过石墨烯？

【成果简介】

近日，重庆邮电大学理学院的李登峰教授课题组和新加坡高性能计算研究院张刚教授（共同通讯）课题组合作，在Advanced Function Materials上发表了题为“Stretch-Driven Increase in Ultrahigh Thermal Conductance of Hydrogenated Borophene and Dimensionality Crossoverin Phonon Transmission”的文章，该工作基于第一性原理和非平衡格林函数（NEGF）的方法，研究了氢化硼烯（borophane）的导热性质，发现室温下borophane在扶手椅方向的热导（thermal conductance）明显高于石墨烯。更有趣的是，在声子传输中观察到一个维度交叉现象，其中低频声子（ω<950cm^-1）呈现二维传输特征，而高频声子（950cm^-1<ω<1450cm^-1）表现为一维传输，这也是扶手椅方向具有超高热导的原因。另一方面，对borophane施加应力时，观察到热导随单轴拉伸应变增加而增加的反常现象。这一反常现象是由氢化硼烯独特的褶皱结构和化学键特性所决定的。由于borophane具有良好的平面内刚度和可塑性，以及高热导，因此在柔性热通道方面具有很好的应用前景。同时，borophane所具有的这种独特的声子传输维度交叉现象为探索声子模式空间、声子霍尔效应等新奇物理效应提供了理想的研究体系，也为人们调控纳米材料热传导性质开创了新的途径。

【图文导读】

图一：borophane的晶格结构和原胞。

图二：通过第一性原理计算得到的声子谱和态密度。

 图三：（a）热导和温度的关系（b）透射系数和频率的关系

【小结】

研究团队通过第一性原理和非平衡格林函数方法（NEGF）研究了borophane的热输运性质，通过borophane的声子透射谱可以发现维度交叉现象，低频声子二维传输而高频声子只沿扶手椅方向传输，从而导致了沿扶手椅方向的量子热导高于石墨烯，borophane具有的独特的键结构为实现高热导通道提供了一条新途径。同时，研究组还探讨了borophane的结构稳定性和应变效应，由于其独特的褶皱结构和沿扶手椅方向的σ键线链，单轴拉伸应力使得热导的增加。

文献链接："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）

课题组简介

重庆邮电大学理学院量子信息与自旋电子学科研团队由朱家骥教授和李登峰教授负责，课题组成员由10名博士组成，有自旋电子学、量子输运和量子计算三个方向。其中量子输运方向主要研究新型材料的热输运、电输运、自旋输运和热电性能，设计新型的纳米器件以及预测新结构，团队成员曾在Nature Communications、Nanoscale、Journal of Materials Chemistry C 等期刊发表科研成果，最近还首次理论研究了横向二维超晶格异质结ZrSe₂/HfSe2的热电性能，理论预测其n型和P型超晶格的ZT因子分别高达5.3和3.2，该成果发表在Nanoscale（2018, 10, 7077 - 7084 ）。

本文由李登峰教授课题组供稿。

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