Nano Letters刊登陳杰課題組在范德華異質(zhì)結(jié)熱輸運(yùn)領(lǐng)域的重要進(jìn)展
3月3日，物理科學(xué)與工程學(xué)院聲子學(xué)中心陳杰教授課題組在《Nano Letters》在線發(fā)表了題為“The Impact of Interlayer Rotation on Thermal Transport Across Graphene/Hexagonal Boron Nitride van der Waals Heterostructure“的研究論文，揭示了層間轉(zhuǎn)角調(diào)控石墨烯/六方氮化硼（graphene/h-BN）范德華異質(zhì)結(jié)界面熱導(dǎo)的物理機(jī)制。
近年來，二維材料制備技術(shù)蓬勃發(fā)展，由不同二維材料通過弱范德華力堆垛形成的“范德華異質(zhì)結(jié)”，由于其種類和物理性質(zhì)的多樣性吸引了大量研究關(guān)注，尤其是graphene/h-BN范德華異質(zhì)結(jié)。六方氮化硼具有與石墨烯相同的晶格結(jié)構(gòu)和接近的晶格常數(shù)、優(yōu)良的絕緣特性、原子尺度平整的表面以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，其作為襯底不僅可以保持石墨烯優(yōu)異的輸運(yùn)性能，同時(shí)可以打破石墨烯的空間反演對稱性，進(jìn)而打開石墨烯狄拉克點(diǎn)處的能隙。此外，層間旋轉(zhuǎn)已被證實(shí)能夠顯著改變二維材料的物理特性。例如，“魔角”雙層石墨烯可以實(shí)現(xiàn)從絕緣態(tài)到高溫超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變。然而，現(xiàn)有研究僅限于轉(zhuǎn)角對于二維材料光電特性的影響。
在這項(xiàng)工作中，陳杰教授團(tuán)隊(duì)利用非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)方法系統(tǒng)地研究了層間旋轉(zhuǎn)對graphene/h-BN范德華異質(zhì)結(jié)層間導(dǎo)熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在無旋轉(zhuǎn)情況下，graphene/h-BN范德華異質(zhì)結(jié)的本征界面熱導(dǎo)在500 K時(shí)高達(dá)509 MW/(m^2K)，顯著高于其他類型的范德華異質(zhì)結(jié)。在0°到30°范圍內(nèi)，該體系的界面熱導(dǎo)在不同溫度下均隨著層間轉(zhuǎn)角的增大而單調(diào)下降，降幅高達(dá)50%。 通過比較晶格結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，界面石墨烯層的表面起伏隨轉(zhuǎn)角的增加而明顯增大，導(dǎo)致聲子散射顯著增強(qiáng)。進(jìn)一步計(jì)算界面處的聲子透射頻譜后發(fā)現(xiàn)，低頻聲子（< 10 THz）在graphene/h-BN 范德華異質(zhì)結(jié)層間熱傳導(dǎo)中發(fā)揮了主導(dǎo)作用，由于界面處石墨烯層和h-BN層的原子振動(dòng)頻譜僅在10 THz以下存在交疊；隨著層間轉(zhuǎn)角的增大，界面聲子透射率大幅降低，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)角依賴的界面熱導(dǎo)。這項(xiàng)工作表明，層間旋轉(zhuǎn)可用于動(dòng)態(tài)調(diào)控二維堆垛材料界面熱輸運(yùn)，為設(shè)計(jì)基于范德華異質(zhì)結(jié)的熱管理器件提供了堅(jiān)實(shí)的理論指導(dǎo)。
我校物理科學(xué)與工程學(xué)院2019級博士生任衛(wèi)君為論文第一作者，陳杰教授為論文唯一通訊作者。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和上海市科委等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00294
圖(a) Graphene/h-BN范德華異質(zhì)結(jié)和模擬設(shè)置示意圖；圖(b) 界面熱導(dǎo)隨層間旋轉(zhuǎn)角度的變化關(guān)系；圖(c) 不同旋轉(zhuǎn)角度下石墨烯層的表面起伏；圖(d) 不同旋轉(zhuǎn)角度下對應(yīng)的界面聲子透射譜。
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