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)。

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，金莎娱乐app下载官网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。我校金莎娱乐app下载官网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，金莎娱乐app下载官网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

金莎娱乐app下载官网陈杰教授课题组在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。

1月3日，金莎娱乐app下载官网声子学中心陈杰教授及其合作者在《Physical Review Letters》在线发表了题为“Heat conduction theory including phonon coherence”的研究论文，发展了关于声子相干性表征及其对热导率贡献的重要理论。

北京时间2022年10月8日，《中国科学:物理学力学天文学》(SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica & Astronomica, SCPMA)在线发表题为“Emerging theory and phenomena in thermal conduction: A selective review”的综述。文章从理论模型和实验技术进展角度全面介绍了近十多年热输运领域中的新兴理论和新奇现象。

近日，金莎娱乐app下载官网陈杰教授团队在美国物理联合会旗下著名期刊Applied Physics Letters（应用物理快报）上发表了题为“Phonon physics in twisted two-dimensional materials”的综述文章。文章重点回顾了转角二维堆垛材料中的声子特性的最新研究进展，同时详细介绍了层间转角对声子在不同方向的输运特性的影响。最后，分析讨论了目前在转角二维材料声子特性研究中所面临的问题与挑战，并从理论模拟和实验测量角度提出了前瞻性的解决方案。

8月，金莎娱乐app下载官网声子学中心陈杰教授课题组在《Nanomaterials》在线发表了题为“How hydrodynamic phonon transport determines the convergence of thermal conductivity in two-dimensional materials”的研究论文，重点关注并解释了二维材料中声子的特殊输运以及热导率难收敛的现象。