[论文解读] Phononics in Low-Dimensions: Engineering Phonons in Nanostructures and Graphene

Alexander A. Balandina, Denis L. Nika|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2012

Thermal properties of materials参考文献 3被引用 6

一句话总结

本综述论文探讨了通过结构和成分调控来操控声子输运，从而实现低维材料（尤其是纳米结构和石墨烯）中的声子工程。研究表明，边缘几何结构、缺陷、同位素掺杂以及晶界均可用于调控热学与振动特性，为热管理及纳米尺度声子器件的应用提供可能。

ABSTRACT

Phonons - quanta of crystal lattice vibrations - reveal themselves in all electrical, thermal and optical phenomena in materials. Nanostructures open exciting opportunities for tuning the phonon energy spectrum and related properties of materials for specific applications. The possibilities for controlled modification of the phonon transport and phonon interactions - referred to as phonon engineering or phononics - increase even further with the advent of graphene and two-dimensional van der Waals materials. We describe methods for tuning the phonon spectrum and controlling the thermal properties of the low-dimensional materials via ribbon edges, grain boundaries, isotope composition, defect concentration, and atomic-plane orientation.

研究动机与目标

• 综述低维材料中声子工程的现状，特别是石墨烯和纳米结构。
• 识别影响声子输运与热学性质控制的关键结构与成分参数。
• 突出二维范德华材料在先进声子应用中的潜力。
• 全面概述调控低维系统声子谱的实验与理论方法。
• 通过可控的声子调控，为未来纳米尺度热学与声子器件的设计奠定基础。

提出的方法

• 利用理论模型与模拟，系统分析低维材料中的声子色散关系与群速度。
• 通过建模锯齿形与扶手形边缘几何结构，研究其在石墨烯纳米带中对声子散射的影响。
• 采用同位素工程，通过原子晶格中的质量差异改变声子散射速率与热导率。
• 评估晶界与缺陷工程作为调控多晶纳米结构中声子平均自由程与热输运的工具。
• 分析原子平面取向对二维材料中声子各向异性和热导率的影响。
• 整合实验数据与理论框架，建立结构参数与可测量热学性质之间的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯纳米带中锯齿形边缘与扶手形边缘的类型如何影响声子散射与热导率？
• RQ2 同位素掺杂在多大程度上可降低低维材料中的声子平均自由程与热导率？
• RQ3 晶界与缺陷浓度在多晶纳米结构中如何影响声子输运？
• RQ4 原子平面取向在二维材料中声子各向异性和热输运中起何种作用？
• RQ5 通过结构参数的可控工程是否可实现纳米尺度声子器件的可调热学性质？

主要发现

• 由于边缘处声子散射增强，具有扶手形边缘的石墨烯纳米带热导率显著低于锯齿形边缘的样品。
• 在石墨烯中进行同位素掺杂可通过质量无序边界增加声子散射，使热导率降低高达50%。
• 多晶石墨烯及其他二维材料中的晶界可使热导率降低数个数量级，具体取决于边界取向与密度。
• 缺陷工程（包括空位与吸附原子）可实现对低维系统中声子平均自由程与热输运的精确调控。
• 二维材料中的原子平面取向导致显著的声子各向异性，热导率在不同晶向之间可相差高达30%。
• 边缘控制、同位素组成与缺陷工程的结合，为纳米结构中声子谱与热学性质的多参数调控提供了有效途径。