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【引言】

 

作為二維材料中的“超級明星”，石墨烯具有已知最高的室溫?zé)釋?dǎo)率，因而在溫度控制相關(guān)的領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。追求更高更好是人類長期的目標。那么，是否存在其他二維材料，具有更好的熱傳導(dǎo)性能，甚至超過石墨烯呢？硼作為碳在元素周期表中的“鄰居”，其單原子層結(jié)構(gòu)是近年來的研究熱點之一。在超高真空條件下，在單晶Ag(111)襯底上成功地生長了單層硼烯（borophene）。通過表面氫化得到的單層氫化硼烯（borophane）更具有優(yōu)越的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這樣我們不禁會想到，borophane是否具有和石墨烯相比擬的熱導(dǎo)或者超過石墨烯？

 

【成果簡介】

 

近日，重慶郵電大學(xué)理學(xué)院的李登峰教授課題組和新加坡高性能計算研究院張剛教授（共同通訊）課題組合作，在Advanced Function Materials上發(fā)表了題為“Stretch-Driven Increase in Ultrahigh Thermal Conductance of Hydrogenated Borophene and Dimensionality Crossoverin Phonon Transmission”的文章，該工作基于第一性原理和非平衡格林函數(shù)（NEGF）的方法，研究了氫化硼烯（borophane）的導(dǎo)熱性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)室溫下borophane在扶手椅方向的熱導(dǎo)（thermal conductance）明顯高于石墨烯。更有趣的是，在聲子傳輸中觀察到一個維度交叉現(xiàn)象，其中低頻聲子（ω<950cm^-1）呈現(xiàn)二維傳輸特征，而高頻聲子（950cm^-1<ω<1450cm^-1）表現(xiàn)為一維傳輸，這也是扶手椅方向具有超高熱導(dǎo)的原因。另一方面，對borophane施加應(yīng)力時，觀察到熱導(dǎo)隨單軸拉伸應(yīng)變增加而增加的反常現(xiàn)象。這一反常現(xiàn)象是由氫化硼烯獨特的褶皺結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵特性所決定的。由于borophane具有良好的平面內(nèi)剛度和可塑性，以及高熱導(dǎo)，因此在柔性熱通道方面具有很好的應(yīng)用前景。同時，borophane所具有的這種獨特的聲子傳輸維度交叉現(xiàn)象為探索聲子模式空間、聲子霍爾效應(yīng)等新奇物理效應(yīng)提供了理想的研究體系，也為人們調(diào)控納米材料熱傳導(dǎo)性質(zhì)開創(chuàng)了新的途徑。

 

【圖文導(dǎo)讀】

 

圖一：borophane的晶格結(jié)構(gòu)和原胞。

 

圖二：通過第一性原理計算得到的聲子譜和

態(tài)密度。

 

 圖三：（a）熱導(dǎo)和溫度的關(guān)系（b）透射

系數(shù)和頻率的關(guān)系

 

【小結(jié)】

 

研究團隊通過第一性原理和非平衡格林函數(shù)方法（NEGF）研究了borophane的熱輸運性質(zhì)，通過borophane的聲子透射譜可以發(fā)現(xiàn)維度交叉現(xiàn)象，低頻聲子二維傳輸而高頻聲子只沿扶手椅方向傳輸，從而導(dǎo)致了沿扶手椅方向的量子熱導(dǎo)高于石墨烯，borophane具有的獨特的鍵結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)高熱導(dǎo)通道提供了一條新途徑。同時，研究組還探討了borophane的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和應(yīng)變效應(yīng)，由于其獨特的褶皺結(jié)構(gòu)和沿扶手椅方向的σ鍵線鏈，單軸拉伸應(yīng)力使得熱導(dǎo)的增加。