重庆邮电大学&新加坡高性能计算研究院 Nano Letters：通过嵌入金属原子铝达成硼烯平面内热导率三倍提升

引言

由于拥有可与石墨烯（graphene）媲美的键强和更轻的原子质量，硼烯（borophene）在声子弹道输运尺寸下弹道热导（ballistic thermal conductce）远超石墨烯。但是一旦进入扩散输运尺寸，硼烯晶格的强非谐性会急剧地增强声子与声子间的散射，最终导致硼烯的扩散热导率（diffusive thermal conductivity）在室温下不足石墨烯的十分之一。因此如何有效地调控并提高硼烯的热导率，是硼烯研究中的一个关键问题。

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，基于第一性原理和声子玻尔兹曼输运理论（phonon BTE）的方法，对比研究了δ₄硼烯与嵌入Al原子的双层δ₄硼烯（AlB₆）的声子扩散输运性质。有趣的是，加入质量更重的Al原子非但没有降低体系的热导率反而使AlB₆在扶手椅方向的热导率在室温下达到δ₄硼烯的三倍（160.2 W/mK）。相比于δ₄硼烯中的声学支与光学支的明显交叉缠绕，AlB₆受较重的Al原子的影响声学支与光学支的交叠减少，这有效地降低了声子散射相空间最终提升了声子弛豫时间。该工作对金属-硼烯体系的热输运性质提供了一个基础的认识，也为人们调控二维材料热传导性质开创了新的途径。相关研究成果以 “Three-Fold Enhancement of In-Plane Thermal Conductivity of  Borophene through Metallic Atom Intercalation”为题 发表在Nano Letters上，重庆邮电大学硕士生胡晏箫和殷艳为本文共同第一作者。

图文导读

（上）双层δ₄硼烯嵌入Al原子形成AlB₆。

（下）δ₄硼烯与AlB₆室温热导率

小结

团队通过第一性原理和声子玻尔兹曼输运理论的方法，研究了δ₄硼烯与AlB₆的声子扩散输运性质。发现了，在室温下AlB₆在扶手椅方向热导率可达δ₄硼烯的三倍。AlB₆中由原子嵌入导致的声子非谐性减弱为人们调控二维材料热传导性质开创了新的途径。

文献链接

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）

本文由重庆邮电大学李登峰教授课题组投稿。