科技资讯写作大赛｜Nanoscale: 外加电场导致硅烯中的超低热导率

材料人首届科技资讯写作大赛自5月13日发布征稿通知以来（参赛详情请戳我），受到读者们的广泛关注。感谢支持单位Taylor & Francis Group，科学出版社，MDPI，National Science Review，Chinese Science Bulletin，Science China Materials，Science China Chemistry ，Nano-Micro Letters对本次大赛的支持！感谢各位材料人的热心参与。本文由Guangzhao Qin投稿。

【引言】

对于各种各样的应用来说，材料中热输运的有效调控是非常重要、基础的物理问题，同时也是一个工程问题。例如电子器件的高效散热需要高热导率，而热电器件需要低热导率。在半导体和绝缘体材料中，热输运的主要载流子是声子。基于玻尔兹曼输运理论，声子热输运主要决定于比热容、群速度以及最重要的声子弛豫时间，所有的这些物理量本质上都是由材料的结构以及原子间相互作用决定的。因此通过改变材料的几何构型或者原子的相对位置，可以实现热输运的调控。在过去的几十年中，很多研究致力于此，比如合理的材料外形设计和组分控制，包括纳米结构设计，在材料中引入孔洞等等。施加应变或者进行物理化学处理（氢化、氧化等）也是调控热输运的很好的方式。但是，所有这些常用的热输运调控手段都是破坏性的，会改变材料的固有结构，同时对热输运的调控幅度也有限。考虑到声子热输运本质上决定于原子间相互作用，那么如果通过施加电场，使材料中的电荷重新分布，进而改变原子-原子相互作用，将会是一种非常理想的可逆手段来调控热输运。此前的研究主要集中在电场对材料电学、光学性质的影响上，而对于电场是否可以直接用来调控热输运，调控效果如何，业内基本上还处于面面相觑，众脸懵逼的状态。

【成果简介】

通过与中国科学院大学的Qing-Bo Yan合作，德国亚琛工大Ming Hu研究组的Guangzhao Qin等人基于第一性原理计算，以硅烯（Silicene）作为对象，系统研究了电场对热导率的影响。通过施加电场，硅烯的热导率可以显著地被调控，尤其是在强电场的作用下，硅烯的热导率从19.21 Wm^-1K^-1降低到0.091 Wm^-1K^-1，降低了两个量级以上，在强电场下的超低热导率甚至比拟于常用的热绝缘材料。通过分析电场作用下电子结构的变化，电场对热输运的强力调控作用可以非常直观的理解。在电场的作用下，电荷重新分布，引入原子间相互作用的屏蔽势，因此硅原子间的相互作用被重整化，由于电声耦合，进一步导致声子重整化以及非简谐性的变化，所以实现了热导率的有效调控。这项工作提供了一种全新的调控热导率的思路，不破坏材料即可调控热导率，整个过程是可逆、无损的。

示意图： 强电场导致硅烯中的超低热导率，甚至接近热绝缘。

主要结果图：室温下硅烯热导率随电场强度的变化。热导率随电场的增加先略微减小，然后增加一些，最后在大电场下急剧降低超过两个量级。

参考文献：Guangzhao Qin, Zhenzhen Qin, Sheng-Ying Yue, Qing-Bo Yan, and Ming Hu^*, External electric field driving the ultra-low thermal conductivity of silicone (Nanoscale, 9, 7227 (2017), DOI: 10.1039/c7nr01596h )

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