[论文解读] Phononic thermal properties of two-dimensional materials

Xiaokun Gu, Yujie Wei+3 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2017

Acoustic Wave Phenomena Research被引用 4

一句话总结

本文综述了二维（2D）材料的声子热学性质，分析了晶体结构、维度、缺陷、应变以及基底相互作用对热导率的影响。研究表明，维度降低以及层状结构特征（如层数和纳米带宽度）显著改变声子色散关系和弛豫时间，从而实现热输运的可调谐，为声子器件和热管理应用提供了关键见解。

ABSTRACT

Following the emergence of many novel two-dimensional (2-D) materials beyond graphene, interest has grown in exploring implications for fundamental physics and practical applications, ranging from electronics, photonics, phononics, to thermal management and energy storage. In this Colloquium, we first summarize and compare the phonon properties, such as phonon dispersion and relaxation time, of pristine 2-D materials with single layer graphene to understand the role of crystal structure and dimension on thermal conductivity. We then compare the phonon properties, contrasting idealized 2-D crystals, realistic 2-D crystals, and 3-D crystals, and synthesizing this to develop a physical picture of how the sample size of 2-D materials affects their thermal conductivity. The effects of geometry, such as number of layers, and nanoribbon width, together with the presence of defects, mechanical strain, and substrate interactions, on the thermal properties of 2-D materials are discussed. Intercalation affects both the group velocities and phonon relaxation times of layered crystals and thus tunes the thermal conductivity along both the through-plane and basal-plane directions. We conclude with a discussion of the challenges in theoretical and experimental studies of thermal transport in 2-D materials. The rich and special phonon physics in 2-D materials make them promising candidates for exploring novel phenomena such as topological phonon effects and applications such as phononic quantum devices.

研究动机与目标

• 理解本征2D材料与石墨烯及3D晶体相比的声子基本性质（如色散关系和弛豫时间）。
• 研究样品尺寸、几何结构（层数、纳米带宽度）以及结构缺陷对2D材料中热导率的影响。
• 分析机械应变、基底相互作用以及插层对声子群速度和弛豫时间的影响。
• 构建一个涵盖理想化、实际和3D晶体体系的2D材料中热输运的物理图像。
• 识别未来研究与应用中2D材料热输运理论与实验研究的关键挑战。

提出的方法

• 利用第一性原理计算与晶格动力学方法，比较本征2D材料、单层石墨烯与3D晶体中的声子色散关系与弛豫时间。
• 采用连续体模型与声子玻尔兹曼输运方程，分析几何结构与缺陷对热导率的影响。
• 通过修改的声子色散关系与弛豫时间计算，引入插层效应，评估层状晶体中热导率的可调性。
• 利用有限尺寸标度与边界散射模型，系统分析纳米带与薄膜中的尺寸效应。
• 通过界面声子耦合与热边界阻力模型，评估基底相互作用的影响。
• 综合理论与实验数据，建立2D材料中热输运的统一框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于维度与晶体结构的影响，2D材料中的声子色散关系与弛豫时间与石墨烯及3D晶体有何不同？
• RQ2 样品尺寸、层数与纳米带宽度在何种方式下影响2D材料中的热导率？
• RQ3 缺陷、机械应变与基底相互作用如何改变2D系统中声子群速度与弛豫时间？
• RQ4 在层状2D材料中，插层在垂直于平面与平行于平面方向上，能在多大程度上调节热导率？
• RQ5 在纳米尺度上，准确建模与测量2D材料中热输运的主要挑战是什么？

主要发现

• 2D材料中维度降低导致声子散射增强与色散关系改变，显著降低热导率，相较于体材料有明显下降。
• 2D材料中的热导率强烈依赖于尺寸，窄纳米带因边界散射导致热导率显著抑制。
• 缺陷与应变可改变声子群速度与弛豫时间，从而实现对热输运性能的主动调控。
• 基底相互作用引入额外的声子散射机制，在悬空或支撑的2D体系中，热导率可降低数个数量级。
• 在层状2D材料中，插层可同时改变声子群速度与弛豫时间，实现面内与垂直方向热导率的定向调控。
• 由于样品质量、测量分辨率以及界面与缺陷效应准确建模的挑战，理论与实验结果之间仍存在显著差异。