J. Phys. Chem. Lett.丨独特的原子排布导致单层Mg2C低热导率

一、【摘要】

单层Mg2C拥有类似于石墨烯、MoS2和硅烯的平面蜂窝状结构，然而其热导率比石墨烯低两个数量级，甚至低于相对原子质量更大的MoS2。该工作探索了导致低热导率的内在机理。

二、【引言】

热电材料作为一种能实现热能和电能之间直接相互转换的材料，以其优异的物理特性引起了广泛的关注，在多个领域有着重要应用。热电转换效率可用无量纲热电优值来衡量。

因此，降低材料的晶格热导率是提高ZT值的一种有效途径。因此，涌现了一大批通过应力、外加电场、掺杂、缺陷等方式实现热导率可控调节的研究，但材料本征的低热导率是一个亘古不变的研究课题。近期，MXene材料以其高比表面积和高电导率，良好的光致发光性能等特性而闻名。二维Mg2C作为一种典型MXene材料，具有类石墨烯的平面蜂窝状结构，并在高达900 K的温度下保持结构稳定。虑到单层Mg2C的热学性能尚未得到充分挖掘，本工作基于第一原理求解玻尔兹曼输运方程，对1T结构的Mg2C、2H-MoS2、石墨烯、硅烯的传热性能开展了系统的对比研究。不同于以往研究规律中，相对原子质量较小的体系拥有高热导率，尽管Mg和C原子重量较轻，Mg2C的热导率仍低于MoS2的热导率。通过深入研究发现，Mg2C中原子的独特排列方式（C原子处于中间平面）是导致其低热导率的关键。这项工作将为热功能材料的设计和热电应用提供理论依据。

三、【成果简介】

近日，湘潭大学物理与光电工程学院的王慧敏和秦光照（湖南大学）、姚亚刚（南京大学）、欧阳滔（湘潭大学）等人合作报道了二维1T三明治结构Mg2C的低热导率及机制。基于第一性原理计算，通过与具有相似平面蜂窝状结构的2H-Mo2S，石墨烯和硅烯的热导率深入对比分析，发现尽管Mg2C相对原子质量小，其热导率仍低于MoS2，且远低于（两个数量级）石墨烯，而和硅烯相当。进一步分析发现，Mg2C特殊的几何结构（较轻的C原子处于中间平面）一方面导致其内在特殊的声子能带结构，ZA声学声子分支无交叉的独立于其他声子分支，且具有两个带隙，限制了声子-声子散射，降低了声子弛豫时间；另一方面形成了共振建，同时由于Mg和C之间存在较大的电负性差异，形成强极性共价键，进而导致强的声子非谐性。在两方面因素的共同作用下导致了Mg2C的低热导率。

该工作已在近日发表于SCI期刊：

The Journal of Physical Chemistry Letters 12, 10353-10358 (2021)

四、【图文导读】

图1. 二维Mg2C、MoS2、石墨烯和硅烯的结构图及声子谱。

不同于大多数1T或2H结构中重原子位于中间平面，Mg2C中较轻的C原子位于中间层，导致由C原子贡献的声子分支振动频率异常高，从而产生了两个独特的带隙，这会极大的影响声子-声子散射。

图2. Mg2C、MoS2、石墨烯和硅烯热导率及各声子分支对热导率的贡献百分比的对比分析。

Mg2C(20.26 W/mK)的热导率和硅烯(19.21 W/mK)相当，是MoS2(40.59 W/mK)的一半，而比石墨烯(3094.03 W/mK)低两个数量级。值得关注的是，在Mg2C的1T结构打破了基于镜面对称的声子-声子散射准则情况下，ZA分支仍对热导率起主导贡献作用。这说明，结构的镜像对称性并不是ZA分支主导热输运的必要条件。

图3. Mg2C、MoS2、石墨烯和硅烯的群速度、声子弛豫时间、散射相空间的对比分析。

Mg2C和MoS2有相当的声子群速度和比热，因此Mg2C热导率低于MoS2是因为其较低的声子弛豫时间。通过对散射相空间和Grüneisen参数的对比分析发现，低的声子弛豫时间主要来源于Mg2C的强声子非谐性。

图4. Mg2C、MoS2、石墨烯和硅烯的电子能带结构图（a-d）和电子局域函数图（e-f）的对比分析。

在Mg2C中，由于Mg和C原子的强电负性差和独特的电子结构，形成强极性共价键和共振键。导致强的声子非简谐性，进而降低热导率。

五、【文献链接】

Huimin Wang, E Zhou, Fuqing Duan, Donghai Wei, Xiong Zheng, Chao Tang, Tao Ouyang*, Yagang Yao*, Guangzhao Qin*, Jianxin Zhong, Unique Arrangement of Atoms Leads to Low Thermal Conductivity: A Comparative Study of Monolayer Mg2C, The Journal of Physical Chemistry Letters 12, 10353-10358 (2021). DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c02944

本文由王晓霞供稿。