近日，同济大学物理学院声子学中心陈杰教授团队与新加坡高性能计算研究所张刚教授合作，在物理学顶级期刊《Applied PhysicsReviews》发表了题为“Impact of moiré superlattice on atomic stress and thermaltransport in van der Waals heterostructures”的研究论文，深入揭示了层间转角调控石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格面内热导率的物理机制，并入选该期刊Featured Article在其官网首页宣传展示(https://pubs.aip.org/aip/apr)。

11月6日，物理科学与工程学院陈杰教授课题组在《Physical Review Applied》期刊上发表了题为“Low thermal conductivity andpromising thermoelectric performance induced by resonant bonding in a two-dimensionallead-tin-selenide ordered alloy ”的研究论文。

近日，我校物理学院陈杰教授团队在物理类期刊《Journal of Physics: Condensed Matter》上发表了题为“Phonon Mode at interface and its impact on interfacial thermal transport”的综述文章，系统回顾了界面声子模式及其在界面热输运中的作用，从理论和实验的角度详细介绍了该领域的最新研究进展。微纳米器件在现代科技中得到广泛应用，器件的微型化导致界面数量显著增加，这些界面在器件的热传导中起着关键作用，使得热管理问题变得尤为重要。1941年，Kapitza发现了液体和固体界面处的温度跳跃现象，揭示了界面热阻（ITR）的出现，这一发现开启了界面热输运研究的新篇章。由于声子是半导体和绝缘体中的主要热载体，研究声子在不同界面和低维材料中的行为显得尤为重要。晶格失配和对称性的破坏会导致界面处新的声子模式，即界面声子模式的产生。这些模式与体材料中的本征声子模式表现出不同的行为，特别是在高密度界面情况下，这些模式会对对器件的热性能产生显著影响。界面热输运的研究可以追溯到上个世纪。最初的连续电介质模型、声学失配模型、扩散失配模型都基于弹性过程假设，并且不能考虑真实的界面细节。因此，能够更好地捕捉晶格振动和原子排布的原子尺度模拟方法，如分子动力学（molecular dynamics, MD），晶格动力学（lattice dynamics, LD），原子格林函数（atomic Green’s function, AGF）等，开始被广泛应用于界面热输运研究。通过分子动力学模拟得到的原子信息，研究人员利用傅里叶变换计算了原子态密度（phonon density of states, PDOS）和原子振动能量谱（spectral energy density, SED）。如图1所示，以最经典的Si/Ge界面为例，研究表明在界面处存在与体材料本征声子模式完全不同的新声子模式。 图1. Si/Ge界面的计算。(a) 理想Si/Ge锐界面示意图。(b) 理想Si/Ge锐界面沿垂直于界面方向在不同位置的 PDOS。每个原子层与界面的距离标注右侧。 (c)-(d) 分别为 Si/Ge/Si 异质结中表面 Si 原子和表面 Ge 原子的 SED。(e)-(f) 分别为Si原子和 Ge 原子的 SED。 进一步的晶格动力学计算通过对振动模式本征矢的空间位置划分，如图2(a)所示。在此基础上的声子态密度计算表明了界面声子模式只占体系总声子模式的很小一部分，并且只出现在几个特定的频率，结果如图2(b)所示。 图2. (a) 两个晶格匹配、质量不匹配的 LJ 固体界面模态的本征矢分布示意图。 (b) 两个晶格匹配、质量不匹配的 LJ 固体界面上四种模态的状态密度（DoS）。 随后，在理论模拟的基础上，实验研究工作在实际体系中观测到了界面声子模式的存在。如图3(a)所示，拉曼散射光谱（Raman scattering spectroscopy）观测到了在Si/Ge界面处出现的全新的吸收峰。此外，基于扫描投射电子显微镜（scanning transmission electron microscopy, STEM）的发展，研究人员利用电子损失能谱（electron energy-loss spectroscopy, EELS）直接观测到了在diamond/c-BN界面的处出现的界面声子模式。相同的结果也在AlN/Si 界面处被观测到，如图3(c)所示。 图3. 界面声子模式的实验观测。(a) Si/Ge界面、片状块体Ge和片状块体Si片的拉曼光谱。在块体Ge 与块体Si 上看不到来自界面的 11.3-12.2 THz左右的明显拉曼峰。 (b) AlN/Si 界面原子结构的 HAADF 图像。(c)利用 EELS 绘制整个界面的声子谱图。 研究表明，在界面处的非弹性声子输运过程对于界面热输运的贡献不可忽略，基于弹性过程的AGF模拟结果与实验测量结果有较大的差距。随后，通过结合力常数矩阵对原子受力进行泰勒展开，研究人员发现界面处的非弹性过程对于高温下的界面热输运有不可忽略的贡献。随后的研究表明，界面声子模式在界面的非弹性热输运过程中起到重要的作用。界面声子模式为界面两侧材料中的本征声子模式提供了桥梁，使得两侧原本不匹配的声子模式能够顺利的跨过界面进行输运。因此，虽然界面声子模式在体系的声子模式中占比极低，但依然为界面热输运提供了较大的贡献。最后，基于对界面非弹性热输运和界面声子模式的研究，影响界面声子模式和热输运过程的因素也被回顾和比较。提高温度能够激发更高频的声子模式，因此在高温下非弹性输运过程会得到增强。界面处的原子混合能够降低界面两侧材料的不匹配度，提供更多的界面声子模式，从而增强界面的热输运。但是，界面的原子混合在提供更多的界面声子模式的同时也会增强声子散射，因此对于不同的原子混合程度以及不同材料组成的界面，界面原子混合会带来不同的结果。此外，在金属材料中，由于电子也是热输运的载体，界面处存在电子-声子相互作用和极化子。多粒子间的相互作用使得界面声子模式的产生和作用成为一个更加复杂的问题，是目前研究的重点方向之一。这项工作总结了近年来界面声子模式及其热输运性能的最新研究进展，提出了针对界面声子模式的前瞻性研究方向和热点，对低维纳米材料中界面声子调控及热管理具有重要意义。同济大学2021级博士生单淑玥为论文第一作者，陈杰教授、张忠卫助理教授为论文共同通讯作者。该项工作发表在J. Phys.: Condens. Matter 36, 423001 (2024),得到了国家自然科学基金、上海市科委和上海市教委项目的支持。论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/ad5fd7

导读 2024年2月5日，物理科学与工程学院声子学与热能科学研究中心陈杰教授课题组在期刊Physical Review B 上发表了题为“Phononic metagrating for lattice wave manipulation”的研究论文,展示了基于广义斯奈尔定律调控声子波动性的研究进展。研究背景 声子作为半导体材料热输运的主要载体，调控声子输运以及材料的热输运性质对于电子器件散热和能量转化方面具有重要意义。声子作为一种基本粒子，同样具有波粒二象性。基于声子的粒子性调控材料的热导率，例如引入缺陷、增加表面粗糙程度、同位素掺杂等手段已经十分成熟并获得了广泛应用。近些年来，研究人员发现在多界面体系以及复杂晶体中，声子的波动性对热输运的贡献不可忽略，相比于对声子粒子性的调控，对声子波动性的依然缺乏相应的手段。此外，单模声PHYSICAL REVIEW B 109, 075404 (2024)子的波动性在多个领域具有重要应用，例如利用声子激光探测晶体表面损伤以及高保真信号传输。此外，声子的波动行为携带有相位信息，这使得其相比与声子的粒子性有着更多的自由度进行信息传递。因此，利用声子的波动性进行高效信息传递对于信息安全通信和存储开辟了新途径。更为重要的是，调控声子的波动性对于量子信息计算具有重要意义，目前的量子计算机主要是通过使用光子的光学系统来实现的，线性光学量子计算是使用广泛量子计算方法，然而，在光子系统中存在一些技术瓶颈，特别是光子损失、非确定性产生和光子态的低效检测阻碍了其进一步可扩展性并限制了其量子优势 ADDIN EN.CITE ADDIN EN.CITE.DATA 。因此，探索新的实验平台变得十分必要。由于声子和光子之间的相似性，利用声子实现线性机械量子计算成为一条新兴的备受关注的新途径。近年来，利用超材料调控声波和光波的传输取得了一系列重要进展。2011年，Capasso等人在光学系统中提出了广义斯奈尔定律，利用具有相位梯度的超表面或者超材料实现了光波的反常传输。随后广义斯奈尔定率在声波系统里也得到了广泛的应用，各种奇特的声学现象例如声波的反常传播、声束弯曲、声波的非互易传播、声聚焦等现象陆续被报道。由于声子的波动行为和声波具有类似性，能否设计声子超材料来调控声子的波动行为？研究亮点 本工作利用波包模拟和分子动力学方法，激励声子波包并使其透过超格栅实现声子的反常传播，结构示意图如图1（a）所示。我们利用声子在不同材料中的群速度不同这一特性来实现0-2π相位差，构建八个离散的三明治结构测量并简化为三角形结构，如图1(c)所示。在构建结构完成后，我们激励一个正入射的TA模式声子使其透过所设计的结构，对透射区域的原子振幅做二维傅里叶变换观测模式的数目和传播方向，其结果如图1(d)所示，蓝圈内的模式数量与角度偏转与广义斯奈尔定律所预测的高度一致。此外，区别与声学系统，晶格系统可以同时存在TA模式和LA模式，这使得在晶格系统内存在模式转换现象。我们发现，通过晶格动力计算获得石墨烯的声子谱如图2(a)所示，我们发现相同频率下的LA模式的波长与红圈内出现的模式波长相一致，将波长带入广义斯奈尔定律，其结果与图1(d)中红圈内的模式高度一致，此外，我们通过改变结构参数多角度预测了模式的偏转并与理论预测相比较验证结果的准确性，结果如图2(b)、(c)、(d)所示。最后，由于在晶格系统中各个超格栅的基本单元通过共价键相互连接，其内部存在能量交换，这意味着存在很强的非局域效应，能量在透射的各阶模式之间都有分配，而不是只集中于+1阶模式，这显著区别于局域设计中离散的声学系统结构单元。利用非局域效应，我们可以减少声子超格栅的厚度，使得其处于声子的相干尺度之内。总结与展望 本工作利用人工尺度的微纳结构，在模式层面实现了对声子的波动性调控。我们通过分子动力学结合波包模拟的方法，利用声子在不同材料中群速度不同的特性调节声子相位，在晶格系统中基于广义斯奈尔定律实现了声子的反常传播，理论预测与模拟结果高度吻合。区别于声波和光波，晶格系统中可以允许剪切力的存在，因而同时存在横波TA和纵波LA。在对声子波动性的调控中，我们直接观测到了TA-LA模式的转换，转换后新模式的传播方向由声子谱和广义斯奈尔定律共同决定。更为重要的是，晶格系统的原子之间通过共价键相互连接，功能单元之间以及功能单元内部存在很强的能量交换，这种非局域效应使得晶格系统显著区别于局域设计的声波系统和光波系统，透射出的能量不再集中于+1阶传播模式，而是在各个阶上都有分布。利用这种非局域效应，我们可以大幅度减少声子超格栅的厚度，使其处于声子相干尺度之内。该工作从声子的波动性质入手，首次在晶格系统中实现了单模声子反常传播，晶格系统中模式转换和强耦合特性导致了不同于声学系统的新物理现象出现。该工作将为声子器件设计、太赫兹波段信息传播、热导率调控提供新思路。同济大学2022级博士生鲁爽为论文第一作者，陈杰教授、李勇教授为论文共同通讯作者。该项工作发表在Physical Review B, 109, 075404 (2024), 得到了国家自然科学基金重大项目和上海市科学技术委员会的支持。文章引用：PHYSICAL REVIEW B 109, 075404 (2024) 文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.109.075404

导读 1月8日，同济大学物理学院声子学中心陈杰教授团队在期刊《Applied Physics Letters》发表了题为“Importanceof hydrogen bond configuration on lattice thermal conductivity of hydrogenatedborophene”的研究论文，深入揭示了不同的氢键构型对氢化硼烯晶格热导率的重要影响。 研究背景 热管理已成为限制半导体电子器件发展的一个重要因素，而具有高热导率和新型热输运机制的二维材料有望解决这一问题。例如，悬浮的单层石墨烯在室温下具有超高的晶格热导率，约为3000 Wm-1K-1，其在热管理方面具有广泛的应用前景。然而，石墨烯的零电子带隙使得它不适合应用于半导体电子器件，这也激励了近年来对其他二维材料的不断探索，包括二维硼烯及其衍生物。二维硼烯的结构具有多种稳定构型，这种结构多样性使硼烯成为了一种引人注目的材料，有望在电子领域得到应用。最近的实验工作表明，表面氢化可以增加硼烯在空气环境中的稳定性。此外，氢化将硼烯从金属转化为半导体，进一步促进了其在电子器件中的应用。先前对其他二维材料的研究也表明，表面氢化是一种调整物理和化学性质的有效方法。例如，表面氢化可以增强黑磷的化学稳定性，控制MXene的磁性，还可以提高其电催化性能。在热传输领域，石墨烯的热导率随表面氢原子浓度的变化而持续受到抑制。而在硅烯和单层GaN中，由于光学声子模式蓝移和声子-声子散射的减少，氢化导致它们的热导率增加。氢化硼烯(BH)表面氢钝化后可生成不同的氢键构型，然而，B-H键构型对热输运的影响仍未被探索，深入理解不同氢键对氢化硼烯晶格热输运的影响对于调控二维材料热导率具有重要意义。研究亮点 利用密度泛函理论和声子玻尔兹曼输运方程，我们研究了两种具有不同B-H键构型的氢化硼烯结构的晶格热导率。计算发现，有桥位B-H-B键的氢化硼烯结构(BHb)的晶格热导率比只有末端B-H键的氢化硼烯结构(BHt)的晶格热导率高2倍以上。受益于硼原子的缺电子特性，桥接的B-H-B键可以向硼烯层提供电子，产生更强的B-B共价键。这种特殊的氢键构型进一步导致光学声子模式的蓝移和低频声子模式的聚束效应，这两种效应可以增加声子群速度和抑制声子-声子散射，从而提高晶格热导率。我们的工作提供了一种通过结构优化调控二维材料晶格导热性的新方法。图一 两种氢化硼烯的晶格结构及成键特性（a）BHb（b）BHt。(c)两种氢化硼烯的热导率。（d）两种氢化硼烯的声子散射相空间，插图为格林艾森常数。χ3硼烯表面氢化后可以生成两种BH结构(BHb和BHt)。如图一（a）（b）所示，在BHb结构中，H原子位于χ3硼烯的两侧。形成一个典型的两中心双电子键(2c-2e)。另一个H原子位于两个B原子中间的桥位，形成桥接的B-H-B键，这是一个典型的三中心双电子键(3c-2e)。在BHt结构中，两个H原子都在同一侧，并且都位于B原子的顶端，是典型的两中心双电子键。为了进一步证明B-H的成键状态，我们计算了不同B-H键的电荷密度分布。顶部位置的H原子通过形成2c-2e键从B原子中夺走一个电子，导致相邻的B-B共价键中电子的分布较弱。相反，BHb结构中的3c-2e键为中间的硼烯层提供了一个电子，从而加强了B原子之间的共价键。为了揭示氢键构型对热输运的影响，我们采用声子玻尔兹曼方法计算了了两种BH结构的热导率，如图一（c）所示。有趣的是，BHb室温下的晶格热导率为~74 Wm-1K-1，是BHt (~33 Wm-1K-1)的两倍多。换句话说，仅仅通过改变氢键的取向，就可以在不改变材料组分的情况下使氢化硼烯的热导率增加一倍，这凸显了一种优化二维材料热导率的新策略。为了理解BHb中热导率增加的物理机制，我们比较了两种BH结构的声子色散。与BHt相比，我们观察到BHb的声子色散有明显的蓝移现象。这种蓝移与强的共价相互作用有关。这也说明桥位B-H键有助于BHb中共价相互作用的增强。特别的是，声子模式的蓝移使得沿着高对称路径Γ→Y→M的低频声子模式发生了声子集束现象，这两个特征会显著影响声子输运。为了揭示声子模式蓝移的起源，我们将BH结构中的原子分为了两类，然后分解单个原子的声子态密度(PDOS)。以BHb为例，构成B-H-B键的6个原子归为Ⅱ型(B1、B2、B5、B6为BⅡ，H2、H4为HⅡ)，其余原子归为Ⅰ型(B3、B4、B7、B8为BⅠ，H1、H3为HⅠ)。基于晶格结构的相似性，我们对BHt结构进行了相同的分类。与BHt中的PDOS相比，BHb中声子频率的蓝移主要由桥位B-H-B键中的BⅡ贡献。为了量化桥位B-H键对声子模式蓝移的影响，我们比较了由BII原子构成的B-B键的强度。我们发现BHb中的B-B键的力常数几乎是BHt的三倍。因此桥位B-H键导致BHb中的声子模式蓝移。为了进一步揭示桥位B-H键对声子输运的影响，我们首先比较了两种BH结构的声子群速度。在BHb中观察到了声子群速度的大幅增强，这可以归因于上面讨论的BHb中的蓝移特征。另一方面，从计算出的声子弛豫时间可以看出，在整个频率范围内，BHb的声子弛豫时间都明显大于BHt的声子弛豫时间。因此，与BHt相比，声子群速度和声子寿命的增加是BHb的热导率更高的原因。为了更直观地理解声子寿命的差异，我们还比较了两种BH结构的声子散射相空间，如图一（d）所示。我们发现BHt的三声子散射相空间(P3)明显大于BHb，说明BHt中声子-声子散射通道较多。对于三声子散射过程，需要满足能量守恒定律，即ω1±ω2=ω3 总结与展望 综上所述，我们利用第一性原理计算和声子玻尔兹曼输运方程，研究了两种氢化χ3硼烯的晶格热导率。具有桥位B-H键的氢化硼烯表现出更高的热导率，是仅具有顶端B-H键的氢化硼烯热导率的两倍以上。我们的分析表明，桥位B-H键可以为硼烯提供额外的电子，从而增加了B-B共价键的强度。这种增强引起声子模式的蓝移和低频声子模式的集束效应，从而导致具有桥位B-H键的氢化硼烯中的声子群速度和弛豫时间增加，最终提高了晶格热导率。我们的研究提供了一种通过结构优化来增加二维材料晶格热导率的新方法。同济大学物理学院博士生何佳为论文第一作者，同济大学物理学院张忠卫助理教授和陈杰教授为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、上海市科委、中央高校基本科研业务专项资金等项目支持。文章引用：Appl. Phys. Lett. 124, 022201 (2024) 文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0188319

5月25日，物理科学与工程学院声子学中心陈杰教授课题组在《Rare Metals》在线发表了题为“Carbonhoneycomb structure with high axial thermal transport and strong robustness”的研究论文，系统研究了碳蜂巢结构的轴向热输运性能及其影响因素。图(a) 碳蜂巢结构模拟设置示意图（插图）以及碳蜂巢结构轴向热导率随体系长度的变化关系；图(b) 碳蜂巢结构轴向以及少层石墨烯面外方向的归一化的声子透射谱；图(c) 碳蜂巢结构以及单层石墨烯面内和轴向热导率随结构无序度的变化；图(d) 不同面内无序度下碳蜂巢结构轴向的归一化的声子透射谱。近年来，随着材料合成以及制备技术的迅速发展，基于低维纳米材料的热管理系统已经应用于实际生产以及现代工业的诸多领域，在热能的传输、转换和控制等方面发挥着至关重要的作用。同时，实际应用也对热管理材料的性能及其大规模制备提出了更为严峻的挑战。因此，设计和制造具有更强热输运性能的低维纳米材料及其复合体系已经成为了亟待解决的问题。在这一领域，种类丰富且具有优异面内热输运性能的二维材料，例如，石墨烯以及六方氮化硼等，为提高纳米复合材料多维度的热输运性能提供了有利条件。其中，一种新型的石墨烯基复合材料——碳蜂巢结构因其优异的机械性能、较高的孔隙率等特点，在能量转换以及储氢性能上引发了研究人员的广泛兴趣。更重要的是，得益于其组分石墨烯片极高的面内热导率，碳蜂巢结构能够极大地改善少层石墨烯在面外方向热传导能力的不足，从而在多维度改善低维纳米材料的热输运性能。同时，在实际材料制备过程中不可避免地会引入结构的无序度或不规则性，导致材料中声子散射强度增大，这对低维纳米材料的热传导性能将产生极强的抑制作用。因此，结构无序度对碳蜂巢结构面内以及轴向热导率的影响值得深入研究和分析。我院声子学中心陈杰教授团队建立了一种以共价键连接的新型碳蜂巢结构模型，并采用非平衡态分子动力学模拟方法，证实了碳蜂巢结构超高的轴向热输运性能，在室温下本征轴向热导率高达746 Wm-1K-1，已经可与单层悬空的六方氮化硼等具有优异导热性能的二维材料相媲美。通过比较碳蜂巢结构轴向和少层石墨烯沿垂直平面方向的声子透射谱，揭示了碳蜂巢结构具有超高轴向热导率的物理起源。相较于常见的一维碳纳米管以及二维材料体系，碳蜂巢结构不仅具有多维度的良好热输运能力，同时也具备较大的热接触面积，这使得碳蜂巢结构在纳米复合材料热管理领域具有巨大的应用潜力。在结构无序度对体系热导率的影响方面，通过与石墨烯做对比，我们发现碳蜂巢结构面内热导率对面内无序度的敏感性较小。例如，30%结构无序引起碳蜂巢结构中面内热导率的下降仅为26%，而石墨烯中热导率下降高达74%。该结果表明，碳蜂巢结构中面内热传导对混乱的结构具有一定程度的鲁棒性。更值得注意的是，碳蜂巢结构中沿轴向超强的热输运性能对结构无序则具有更强的鲁棒性。我们的模拟结果表明，即使无序程度高达60%，碳蜂巢结构轴向热导率降低不到10%。这种微小变化表明，碳蜂巢结构沿轴向的热输运与沿面内方向的结构无序度几乎是解耦的。这是因为在碳蜂巢结构中引入结构无序仅重组了石墨烯侧壁的形状，但石墨烯侧壁之间的共价连接方式未发生变化。我们的结果证实了这种新型石墨烯基复合材料在多维热传输性能方面均具有优异的鲁棒性，并且轴向热输运性能对于面内结构无序的鲁棒性上则表现得更加优异。我校物理科学与工程学院2019级博士生任卫君为论文第一作者，陈杰教授为论文唯一通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和上海市科委等项目支持。论文链接：https://doi.org/10.1007/s12598-023-02314-z

研究背景 作为固体中的准粒子，声子同时具有类似波和粒子的特性，是绝缘体和半导体中的主要热载体。声子的波动特性不仅可以用来调控材料中的热传输，并且在量子信息中有重要应用。波聚焦是一种重要的波动调控行为，不仅在医学诊断和肿瘤热疗中发挥着重要作用，而且在工程领域的无损探伤技术中也十分重要。之前的工作，人们主要基于声子的粒子特性，研究了各向异性固体中的声子聚焦，实现了准一维的热传输。这种声子聚焦主要依赖于晶体的各向异性，没有利用相位控制。因此，在各向同性的系统中实现声子聚焦仍是一项挑战。内容简介 最近，同济大学物理科学与工程学院陈杰教授课题组基于对晶格波的相位调控，在单层石墨烯中构建了原子级别的人工微结构，实现了可控声子聚焦。该工作在单层石墨烯中设计了包含同位素的三角形结构，在三角形结构顶点附近实现了单模声子聚焦，并且通过改变结构的高度，可以实现声子聚焦点的位置、能量和时间等多种特征的调控。更有趣的是，通过改变声子入射方向，可以获得不同的声子聚焦图案和能量传输系数，体现出非对称传输特性。该工作深入讨论了声子在聚焦过程中发生的模式转换机制，为基于原子级微结构设计实现声子模式聚焦效应提供了物理机制分析。上列：单层石墨烯中引入三角形原子级人工微结构实现声子聚焦效应的示意图。 下列：左图为单模声子波包正向入射透过该结构的聚焦图案。中图显示了结构的宽度与聚焦点呈线性关系，可用于调控声子聚焦点的位置。右图为单模声子波包反向入射透过该结构的聚焦图案。文章亮点 基于声子波动特性，在各向同性的二维材料中实现了声子聚焦效应，为通过原子级微结构设计实现可控声子聚焦提供了物理见解。 研究意义和重要性 该工作通过在单层石墨烯中设计原子级人工微结构，在各向同性系统中实现了可控声子聚焦效应。这种基于声子波动特性的聚焦效应不仅对调控材料中热传输具有重要意义，而且有助于拓展声子工程在医学和检测领域的相关应用。文章链接：http://10.1088/0256-307X/40/9/096301

物理科学与工程学院陈杰教授课题组在APS期刊 《Physical Review B》上发表了题为“Characteristicsof distinct thermal transport behaviors in single-layer and multilayer graphene”的研究文章，揭示了石墨烯体系中第二声现象的微观振动模式起源，为理解二维材料中声子流体动力学输运提供了有价值的见解。在描述固体传热的研究中，除了被大量研究的弹道和扩散输运图像外，声子流体动力学（hydrodynamics）输运是另外一种独特的声子输运图像。第二声现象作为声子流体动力学输运的重要特征，是目前非傅里叶热传导领域的研究热点。图1 （a）10 ps时刻的采样区域示意图（虚线框）：峰I对应于弹道峰，峰II对应于第二声峰，非温度峰区域对应于扩散区域。（b-d）展示的是（b）弹道峰，（c）第二声峰以及（d）扩散区域投影到单层石墨烯声子谱上的归一化模式能量。（b-d）中的颜色代表声子模式能量的大小。在本工作中，我们通过瞬态热传导模型（图1（a））研究了单层石墨烯、多层石墨烯以及石墨中第二声的基本特性。通过传播速度和模式能量分析，很好地揭示了第二声峰、弹道峰和扩散区域的输运特征。模拟结果表明，弹道峰由面内LA声子和TA声子主导（图1（b）），第二声峰主要由面外ZA声子贡献（图1（c））。与上述区域不同的是，不同偏振的声子模式都同等地参与了扩散区域内的能量输运（图1（d））。相比于弹道峰，第二声峰具有携带大量热能、持续时间长、耗散速率低的特点。这也是单层石墨烯高热导率的原因。此外，由于增加石墨烯的厚度能显著得增加U过程散射的权重，第二声现象会因此变弱。最后，我们还观测到了第二声存在的狭窄温度窗口，其上限为110 K，因为U过程散射会随着温度的继续升高而占据主导地位。陈杰教授课题组博士生俞崔前为论文第一作者，张忠卫和陈杰教授为论文共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金，上海市科学技术委员会以及上海浦江项目的支持。文章链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.107.165424

10月24日，同济大学物理学院声子学中心陈杰教授团队在学术期刊《Nanotechnology》发表了题为“Complex role ofstrain engineering of lattice thermal conductivity in hydrogenatedgraphene-like borophene induced by high-order phonon anharmonicity”的研究论文，深入揭示了应变工程在调控具有宽声子带隙二维材料晶格热导率过程中的复杂作用。

基于三阶非谐散射的玻尔兹曼输运方程被广泛运用于预测材料晶格热导率，通常能够获得与实验测量值吻合的结果。近年来，有一些研究表明高阶的非谐声子散射（例如四声子散射）在某些宽声子带隙化合物（例如：立方BAs和TaN）的热输运中扮演着重要的角色。在本工作中，通过求解玻尔兹曼输运方程，我们研究了四声子散射在单层和氢化双层BAs的热输运中的影响（图1(d)）。当仅考虑三声子散射，热导率的温度依赖关系为κL ~ T-1。加入四声子的影响后，热导率的温度依赖关系变为κL ~ (AT+BT2)-1。通过考虑四声子散射，单层和氢化的双层BAs的晶格热导率均会下降。特别是对于单层的BAs，其晶格热导率下降了80%。此外，双层结构的热导率反而高于单层的BAs，这一结果与少层石墨烯中的结论是相反的。随后通过比较了具有和缺失水平镜面对称性的结构，我们发现在具有水平镜面对称性的单层和AA堆垛的双层氢化BAs中，四声子散射导致ZA声子贡献的热导率急剧下降（单层从24%下降到2%，AA堆垛的双层氢化BAs从21%下降到6%）。同时，在缺失水平镜面对称性的AB堆垛中，此现象不显著（从7%下降到4%）。

近年来，由于声子的波粒二象性，周期性超晶格中热输运行为引起了人们的关注。例如，超晶格中非相干到相干声子输运转变的现象，以及由于声子干涉效应导致的全透射和全反射现象等。在同等长度和界面密度的多层结构中，完美的周期性超晶格通常被认为是导热能力最佳的结构，因为在周期性超晶格中引入无序度后，会导致安德森局域化从而抑制相干声子输运，最终降低热导率。