导读 5月5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《Physical Review B》发表了题为“Origin ofSuperdiffusive Thermal Transport in One-Dimensional van der Waals Atomic Chains”的研究论文，深入揭示了超扩散热输运在一维范德华材料NbSe3纳米线的起源。研究背景 随着制造技术的进步，人们已能够制备尺寸达到纳米量级的低维材料。与块体材料相比，低维材料展现出独特的热输运特性。声子作为主要的热载体，在块体材料中遵循正常扩散行为，表现为有限的热导率。然而，在一维系统中，理论与实验研究均发现热导率随系统长度L呈幂律关系κ∝Lβ，表现出发散特性。当发散指数β 的取值在0~1之间，该热输运行进入超扩散热传输。 已有大量理论工作研究了一维系统超扩散热输运的物理机制。在简化的原子链模型中，其发散指数β 通常在1/3到2/5之间。一些理论研究将超扩散热输运的起源归因于声子限域效应 (phonon confinement effect)，即尺寸降低所引起的维度限制。具体而言，声子限域效应会改变声子色散关系，进而影响声子-声子散射过程。 另一方面，一维范德华纳米线的实验研究为验证超扩散输运理论预测提供了实际支撑。杨林等人首次在室温下的超薄 NbSe3 纳米线中观测到了超扩散热输运现象，并将其归因于弹性硬化，该效应可以提高声子模式频率，从而在小直径下改变热输运性能。类似地，在薄的 TiS3 纳米带中，刘晨晗等人发现通过氧原子掺杂增强了链间耦合强度，同样增强了超扩散热输运特性。这些结果表明，一维范德华材料中超扩散热输运与弹性硬化密切相关。综上所述，现有的理论研究与实验观测在超扩散热输运起源问题上存在显著争议。此外，超扩散行为背后的微观机制，尤其是声子-声子散射过程及其对尺寸的依赖性，仍有待进一步深入研究。研究亮点 本工作采用了分子动力学模拟方法结合机器学习势函数，深入研究了不同尺寸 NbSe3 纳米线的晶格热导率（κ ）。如图1（a）所示，NbSe3纳米线的κ 随L 增长呈现幂律关系κ ∝ Lβ，0 β 1。模拟结果成功复现了实验中 NbSe3 纳米线超扩散热输运的现象。我们发现，当长度足够大时，极细纳米线的κ 值可超越块体值（图1中虚线）。通常情况下，在研究较粗纳米线时，其κ 值随直径D 减小而下降，且低于块体值。这源于D 减小时，表面-体积比增大，会增强声子表面散射，使声子平均自由程减小。以上两种情况的对比说明，极细纳米线存在不同的热输运机制。我们计算了 NbSe3 纳米线κ随D的变化关系，如图1（b）。κ 随D 增大呈下降趋势，并逐渐逼近块体值。不同于通常情况，极细 NbSe3 纳米线中出现了反常直径依赖的热输运现象。图1 (a) 不同直径NbSe3纳米线的室温κ与L的关系。实线为幂律关系κ ∝ Lβ。(b) 不同长度 NbSe3 纳米线的室温 κ 与 D 的关系。(a) 和 (b) 中的虚线表示本研究计算的块体 κ 值。(c) NbSe3 纳米线在100 K和300 K时的 E 与 D 的关系。虚线表示本研究中计算的块体 E 值。(d) 核心与表面区域 Nb 原子沿 x 方向的平均力常数 与D 的关系。为了探究以上热输运现象产生的原因，我们计算了 NbSe3 纳米线的杨氏模量(E ) 随 D 改变情况。我们发现，当 D 减小到6 nm以下时，E 会迅速增加，表现出与实验上的弹性硬化现象。为了从微观层面进一步揭示这种 E 的直径依赖性，我们对 NbSe3 纳米线的二阶力常数(Φ )进行分析。我们发现，只有沿纳米线轴向随着D 的减小而显著增加，沿 y 和 z 方向的分量改变较小。该现象说明，弹性硬化仅发生在纳米线的轴向方向。之前研究在单晶纳米材料中观察到弹性硬化现象，通常使用“核-壳”模型进行解释。该模型核心层的 E 为块体值或者更低，由于表面效应，壳层的 E 变高并超过块体值。然而，如图1(d) 所示，对于 NbSe3 纳米线，表面和核心原子的值都表现出比块体（图1 (d) 中虚线）更高的值。这表明传统的“核-壳”模型不适用于 NbSe3 纳米线。此外，随直径减小，两个区域均增加，这表明表面和核心部分对弹性硬化的产生均有贡献。图2(a) D =1.6 nm和D =2.8 nm的 NbSe3 纳米线的声子谱，沿 Γ- X 方向。颜色映射的是 x 方向归一化偏振度。从黄色到红色，x 方向偏振度越高。(b) 三个代表性光学模态的声子频率对直径 D 的关系。三个光学声子模式在图2(a) 中 Γ 点处用对应符号标记。虚线表示 ω ~ 1/D 比例关系。虚点线标记1 THz以引导观察。(c) 不同直径 NbSe3 纳米线与块体状的 RN 与 RU 的比值。(d) 在100 K下，D =1.6 nm 的 NbSe3 纳米线的频率归一化累积热导率κ。插图为迭代解法（κI）与弛豫时间近似（κRTA）的热导率比值。极细硅纳米线中也存在类似图1的超扩散热输运现象。然而，通过计算不同直径硅纳米线的 E，我们发现极细硅纳米线中并不存在弹性硬化效应。因此，存在其他因素导致超扩散热输运的产生，并且需要进一步研究弹性硬化效应对热输运的影响。为此，我们计算了不同直径的纳米线声子谱，将声子特征向量在 x 方向（轴向）的分量投影到声子谱中，通过颜色标注，如图2 (a)。可以发现，弹性硬化仅对部分声子模式产生作用。除了弹性硬化之外，声子限域效应是低维纳米材料中声子行为的另一个关键特征。如图2 (b) 的插图所示，随着 D 的减小，声子模式转向更高的频率，表现出明显的声子限域效应。综上，在 NbSe3 纳米线中，弹性硬化和声子限域同时存在，并且均影响着声子谱。为了区分弹性硬化与声子限域效应对声子的不同贡献，我们对一维纳米线系统中声子频率 ω 与直径 D 之间的关系进行了理论分析，建立了 比例关系。以此为基础，我们比较了不同直径纳米线中声子模式的频率，如图2(b) 所示。假设杨氏模量 E 为恒定值，低于~ 1 THz的声子模式遵循 ω ~ 1/D 比例关系（图2 (b)中的虚线）。这种一致性表明声子限域效应在低频范围（1THz）内占主导地位。当频率高于~ 1 THz，计算结果开始明显偏离虚线，并且小直径时，偏差变得更加明显，这表明E不再是恒定值，存在弹性硬化。这表明弹性硬化影响了部分高频范围（1THz）内的声子。我们成功分离了两种因素对低频声子的影响。声子谱的变化会改变声子-声子散射，从而影响热输运过程。为了进一步研究声子限域和弹性硬化对 NbSe3 纳米线热传输的影响，我们研究了微观声子-声子散射过程。如图2 (c) 显示，在小直径的 NbSe3 纳米线中，N过程散射率 (RN )超过U过程散射率(RU ) 约1-3个数量级，这足以出现类流体声子输运 (hydrodynamicphonon transport)。此外，两种散射率的比值 (RN / RU )随着D 的减小而增加，表明更细的纳米线中具有更强的类流体声子输运。上述类流体声子输运行为，可通过对比不同BTE求解方案的结果进行验证。通过弛豫时间近似求解热导率(κRTA)，N 散射与 U 散射会被错误地等同为阻性散射过程，而迭代解法 (κI )则准确处理两者贡献。如图2 (d)所示，当 D 增加时，κI / κRTA 值从1.28降至1.06，清晰地反映出大直径纳米线中类流体声子输运的弱化。为了确定参与热传输的主要声子模式，我们计算了 NbSe3 纳米线中的频率累积 κ 。如图2 (d)，低于1 THz的声子贡献了近 80% 的 κ 。并且，我们通过计算纳米线中 N 散射和 U 散射相空间分布，发现N散射过程主要由布里渊区中心附近的低频 (1THz) 声子模式主导，并且低频区域 (1THz) N 过程的散射相空间明显大于 U 过程。另一方面，1 THz以下低频声子模式则受到声子限域效应的影响。由此可以得出结论，声子限域效应增强了动量守恒的 N 散射过程，进而诱导声子流体动力学行为，最终导致超扩散热输运的出现。总结与展望 在本文中，我们基于机器学习势函数，运用分子动力学和晶格动力学模拟方法，系统研究了一维范德华NbSe3纳米线的热输运机理。研究发现，小直径纳米线的热导率随长度变化符合幂律关系(κ ∝ Lβ )，存在超扩散热输运现象。通过建立 比例关系，我们成功区分了弹性硬化与声子限域效应对低频声子的不同贡献。本文研究表明，弹性硬化发生在纳米线的轴向方向，并且源于核心与表面区域的共同贡献，主要影响频率大于1 THz的部分光学声子模式。而低频（1 THz）声子模式对热输运起主要贡献，仅受到声子限域效应的影响。进一步分析表明，维度降低导致的声子限域效应会显著增强低频声子的动量守恒正则散射过程，从而诱发类流体声子输运，导致超扩散热输运现象的出现。因此，声子限域效应是导致NbSe3纳米线超扩散热输运的主要来源。本文研究结果为理解纳米尺度热输运机制提供了新的理论依据，对解决纳米器件中热管理问题具有重要意义。 同济大学物理学院研究生孙旭卉为论文第一作者，同济大学物理学院张忠卫助理教授和陈杰教授为论文共同通讯作者。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。论文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.111.205404

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 conductivityand promising thermoelectric performance induced by resonant bonding in a two-dimensionallead-tin-selenide ordered alloy ”的研究论文。热电转换在废热转化为电能方面起着举足轻重的作用。为了提高热电转换效率，降低晶格热导率是一种有效的策略。到目前为止，研究人员已经提出了许多用于降低晶格热导率的非本征策略，例如引入缺陷、掺杂、晶界、层间旋转、复杂相、非晶相等。然而，这些策略虽然能够降低晶格热导率，但同时也会恶化电子输运性质。因此，为了提高热电性能，研究人员迫切需要寻找能够保持良好电子输运性能的同时，还具有本征低晶格热导率的材料体系。最近的研究表明，本征低热导率通常是由于特殊的晶格结构或电子占据行为导致的，例如笼状物晶格结构、孤对电子占据以及由缺电子引起的共振键。其中，共振键的概念最初是在分子化学中引入的，后来扩展到固体晶体材料中。共振键源于一种特殊的电子配置，这种电子配置导致了不同键之间的共振。然而，共振键系统中电子配置与热输运性质之间的内在关系尚不清楚。在这项工作中，通过结合密度泛函理论和玻尔兹曼输运方程，我们证实了共振键对二维(Pb0.5Sn0.5)Se合金材料的热输运有显著影响。通过弱sp杂化和电子局域函数ELF分析，我们首次在二维有序(Pb0.5Sn0.5)Se中证实了共振键的存在，并发现共振键是由p电子贡献的。本文研究发现，共振键引起了长程相互作用，并通过扰动的电子密度分布、力常数分布以及热导率的大收敛截断半径得到了证实。进一步的研究发现，由于TO支的软化和声学支的靠近，长程相互作用会增加声子散射。然后，通过晶体轨道哈密顿布局函数COHP分析，我们发现(Pb0.5Sn0.5)Se的价带顶表现出显著的反键态特征。有趣的是，这部分价电子对应的正是引起共振键的p电子。再结合低声子寿命，共振键最终导致二维(Pb0.5Sn0.5)Se具有极低的热导率。在室温下，其热导率仅为1 Wm-1K-1。结合热输运性质和电子性质，我们进一步计算了该体系的热电优值，发现其在800 K下约为3，与单晶SnSe相当。图1（a）对一个Pb原子在x方向上进行0.01 Å的位移扰动后，（001）平面上的电子密度分布的变化。（b）(Pb0.5Sn0.5)Se中二阶力常数张量的归一化迹的绝对值与原子距离的关系。插图显示了h-BN的结果。（c）沿armchair和zigzag方向上的室温热导率κl与截断半径的关系。（d）(Pb0.5Sn0.5)Se在第一布里渊区内的声子谱。典型的软化横向光学支（TO1和 TO2）以不同的颜色显示。这项工作深入揭示了具有共振键的二维系统中电子性质和热输运行为之间的耦合关系，为设计优异的热电材料提供了理论指导。张忠卫助理教授为论文第一作者，陈杰教授为通讯作者，博士生俞崔前作出了重要贡献。该项工作得到了国家自然科学基金(12075168 & 12205220)、上海市科学技术委员会项目(21JC1405600)、上海市浦江项目(22PJ1413700)以及上海市曙光计划(23SG18)等项目的支持。论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.22.054013

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

2024年3月8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博士研究生俞崔前同学进行了题为《低维材料极端热导率的理论研究》的博士毕业答辩并顺利完成。图1：俞崔前同学正在答辩图2：现场答辩委员会合影图3：俞崔前同学和课题组同学合影

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

12月12日上午，东京大学SebastianVolz教授和哈尔滨工业大学郭洋裕教授应邀访问同济大学声子学与热能科学中心，并在第一实验楼423会议室为物理学院师生作了两场报告。 两位老师分别以“Atomistic modeling of extreme near-fieldheat transport across vacuum nanogaps”和“Phonon Polaritons Thermal Radiation”为题，介绍了他们在相关领域的研究工作，并与在场师生进行了交流与讨论。 感谢两位老师的分享与指导！