二维世界中的热输运

2021-02-05 07:55:57

石墨烯的兴起推动了对其他二维层状材料（2DLMs）的深入研究。在过去十年中，2DLMs凭借其优异的光学、电学、机械性能，已被用作构建各种新型光、热、电功能器件和能量转换和存储设备构的重要组成部分。除了它们卓越的光学，电学和机械性能，2DLMs还展示了引人入胜的热学性能。在这里， 2DLMs的广泛应用需要全面了解2DLMs的热载流子输运的物理机制及衬底的接触对热传输的影响，因为这与新兴器件水平上的能量消耗、热耗散、能量转换和热调控息息相关。事实上，由于独特和多样化的二维晶体结构和不同声子模式对热传输的贡献，2DLMs系统在热传输上尽管有一些共同的热学性质，例如层数依赖的热导率，每种材料还具有更独特的热学性能可以加以利用。尽管有如此优越的预期性能，对于高质量2DLMs本征的热学测试、不同2DLMs独特热学性能（如尺寸依赖性能与各向异性）、以及多种2DLMs组合的异质结构的热学特性的研究仍处于不断探索中。目前已有的实验结果和理论预测为后续研究提供了借鉴价值。

基于上述二维材料热学领域已有的发展和遭遇的挑战，南京大学朱嘉教授课题组撰写了综述论文，系统地分析了2DLMs 热学性能的实验测试方法，并且针对几种2DLMs （包括Graphene、MoS2、h-BN、black phosphorous 和Bi2Te3）热导率分别做了总结与分析。论文首先介绍了二维材料领域中热导率测试的两种主流方式(Suspended Micro-Bridge Method & Optothermal Raman Technique)，讨论了各自的优势与局限，两种测试手段都能利用悬空器件特性，排除衬底影响以得到二维材料本征的热传导性能；文献中热导率测试结果表明，2DLMs热传导性能精确地受到样品尺寸和材料结构的影响：随着原子层数的变化，不同材料热导率呈现出奇特的变化趋势（如Graphene、MoS2、h-BN、black phosphorous）；对于各向异性热传输，2DLMs中天然层内共价键结合与层间范德瓦尔斯力结合的特点，导致了每种材料层内与层间热导率的差异，另外结合材料层内结构的各向异性，如黑磷材料，沿armchair（AM）和 zigzag（ZZ）两个方向也可以得到显著的热导率差异。作者还对2DLMs在实际能量转换与存储领域的应用做了介绍与展望，如高导热性材料（石墨烯和氮化硼），在散热和储能领域的辅助作用，以及black phosphorous和Bi2Te3 在热电转换中的潜在发展。

这些研究工作对于二维材料中热传输基本物理机制的探索具有重要参考意义，为构建更高性能的电子、光电子以及能量转换与存储器件提供了指导方向。该综述文章在线发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201604134）上。