亚琛工业大学Small综述: 黑磷烯中的热输运

【引言】

黑磷烯（Phosphorene），作为单元素二维半导体材料，具有突出的电学、光学、热力学等新奇物理性质。黑磷烯不同于零带隙的石墨烯和硅烯，它具有一个本征的直接带隙，在半导体器件应用方面具有天然的优势。自从2014年被理论预测和实验合成出来，黑磷烯就吸引了广大科研工作者的研究兴趣，短短三年多的时间，相关的研究论文爆发式增加过百万篇。

黑磷烯在电、光以及热电方面具有广泛的应用前景，而其传热性质对于器件的工作稳定性和效率具有关键性的影响。到目前为止，已有非常多黑磷烯相关的热输运研究工作，包括理论上的计算模拟（单层、多层）和实验中的测量统计（薄膜、块体）。但对于已有的众多研究成果，还缺少一个系统完整的综述，以概述黑磷烯的研究进展和展望未来的研究发展。

【成果简介】

受邀于Wiley旗下Small期刊编辑部，RWTH Aachen University, Germany的Guangzhao Qin和Ming Hu近日撰写了以黑磷烯热输运为主题的综述型论文“Thermal Transport in Phosphorene”。作者多年来从事传热相关方面的研究，通过近年来对黑磷烯的持续关注及深入认识，对现有的理论和实验结果进行了系统的总结和分析，给出了黑磷烯从块体到薄膜多层进而到单层的热导率变化趋势，同时讨论了若干已报道结果互相出现偏差甚至矛盾的可能原因。此外，作者还讨论了外部因素对黑磷烯热输运性质的影响，如应变、衬底、异质结、纳米结构等，同时对于进一步可能的研究工作给出了一些建议。

【图文导读】

图1：黑磷烯单层结构的(a)顶视图、侧视图，以及(b)差分电荷密度。

图2：黑磷烯的(a)声子谱以及(b)热导率的各向异性。

图3：（理论计算）黑磷烯热导率随(a,b)截断半径和(c,d)格点密度的收敛性测试。通过对互相不一致的收敛趋势和结果进行对比讨论，作者发现在计算过程中截断半径的选取至关重要。

表1：黑磷烯在室温下热导率数值的总结，可见不同的参数选取对结果的影响非常大。

图4：多层黑磷烯热导率随层数的变化很小。

图5：黑磷烯的热导率从单层到块体的变化，其中对比了不同课题组采用不同研究方法得到的结果，包括理论计算和实验测量。

图6：黑磷烯中关于共振键的分析。黑磷烯中因弱sp杂化和特殊pucker结构形成的共振键对其传热性质有着重要的影响。

图7：基于第一性原理对黑磷烯中声子非简谐性的分析。（a-c）沿x，y，z三个方向的能量势阱，其中的插图为对应的原子振动模式。（d）沿着三个方向振动的Gamma光学声子模式的Gruneisen参数随截断半径的变化。（e-k）原子振动所对应的轨道投影态密度。

图8：应变对黑磷烯热输运性质的调控，包括第一性原理计算，非平衡格林函数方法，分子动力学模拟的结果。

图9：衬底可以增强黑磷烯中热输运的各向异性。

图10：二维异质结结构对黑磷烯热输运的影响，石墨烯的存在会增强其热输运性质。

文献链接：Guangzhao Qin and Ming Hu,Thermal Transport in Phosphorene,（Small, 2018, DOI: 10.1002/smll.201702465）

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