山东大学王鑫煜副教授Phys. Chem. Chem. Phys.封面：新型二维材料石墨醚的声子热输运机理

点击蓝字关注我们

二维材料在电子器件中有着广泛的应用，其热学性能对电子器件稳定运行及热管理至关重要。

山东大学王鑫煜、杜慕团队首次利用第一性原理研究了新型二维材料——石墨醚（graphether）的声子热输运机理。研究结果表明石墨醚在 300 K 下 armchair 和 zigzag 方向上晶格热导率分别为 600.91 W m^-1 K^-1 和 393.32 W m^-1 K^-1，呈现出各向异性。通过计算声子群速度、声子寿命、Grüneisen 参数和声子散射相空间，揭示了石墨醚的声子传输机制。该研究为基于石墨醚的新型二维材料电子器件热管理提供重要的理论支撑。

相关工作已经以研究论文的形式发表在英国皇家化学会期刊 Physical Chemistry Chemical Physics 上，并被选为 2021 年第 1 期封面论文。

研究背景

被称为“新材料之王”的石墨烯，是一种由碳原子以 sp² 杂化方式紧密结合构成的蜂窝状单层材料。由于石墨烯具有超高的热导率、优异的电子迁移率和极佳的机械强度等物理性质，使其在基础研究和实际应用中受到广泛关注。然而，石墨烯的零带隙特征限制了其在电子器件中的应用。因此，探索具有可调带隙和优异物理性质的新一代二维材料成为亟待解决的科学问题。

现有研究证实，通过掺杂原子和化学改性等方法，如 C₂N、C₃N 和氢化石墨烯等，可以实现对石墨烯物理性质的调控。最近，已有学者首次利用具有超共轭效应的甲醚分子理论组装出一种新型二维半导体材料——石墨醚。石墨醚具有 2.41 eV 直接带隙及较好的紫外光响应性，且石墨醚 armchair 方向面内刚度超过了石墨烯，并拥有良好的热力学和动力学稳定性。因此，作为新一代二维材料，石墨醚具有广泛的应用前景。

电子器件在实际运行中，若不能有效散热，产生的热量会导致器件性能下降，甚至造成失效。为获得理想的电学性能和更长的使用寿命，材料的热学性质成为制约电子器件稳定高效运行的关键因素。因而探究石墨醚热学性质和声子热输运机理对基于石墨醚的新型二维材料电子器件稳定运行及热管理显得尤为重要。

本篇论文

作者首先利用第一性原理对石墨醚进行结构优化（图1），优化后的石墨醚晶格常数为 a = 3.62 Å, b = 2.58 Å。采用玻尔兹曼输运方程计算石墨醚晶格热导率（k），并与石墨烯进行对比（图 2）。石墨醚晶格热导率具有各向异性，在 300 K 下，石墨醚 armchair 和 zigzag 方向的晶格热导率分别为 600.91 W m^-1 K^-1 和 393.32 W m^-1 K^-1，小于石墨烯晶格热导率（3544.41 W m^-1 K^-1）。此外，从图 2 中可看出两种材料晶格热导率均随温度升高而降低。虽然石墨醚晶格热导率低于石墨烯,但仍显著高于绝大部分代表性的二维单层材料，并鉴于它具有优异的电学性能，因此石墨醚在电子器件领域将具有较好的应用前景。

▲	图 1. 优化的石墨醚和石墨烯晶体结构。（a）石墨醚的三视图。（b）石墨烯的俯视图和侧视图。蓝色虚线代表晶胞。棕色和红色实心球分别代表碳（C）原子和氧（O）原子。

▲	图 2. 石墨醚和石墨烯晶格热导率随温度的变化。

为进一步分析石墨醚的热学性能，作者计算了其声子群速度和声子寿命。由图 3 可知，石墨醚的声子群速度和声子寿命均低于石墨烯。石墨醚和石墨烯的声子群速度平均值分别是 3.42 km s^-1 和 7.09 km s^-1。两种材料的声子寿命平均值分别为 4.10 ps 和 23.54 ps。鉴于材料晶格热导率与声子群速度和声子寿命呈现正相关的关系，因而石墨醚有更低的晶格热导率。

▲	图 3. 石墨醚和石墨烯不同声子分支的（a）群速度和（b）寿命。

Grüneisen 参数体现声子分支的非谐性，影响声子散射通道的强度；声子散射相空间则可以表明在三声子散射过程中声子散射通道的数量。由图 4 可知，石墨醚具有更大的 Grüneisen 参数和声子散射相空间，证明其有更大的非谐性和更短的声子寿命。

▲	图 4. 石墨醚和石墨烯不同声子分支的（a）Grüneisen 参数和（b）声子散射相空间（P3）。

最后，作者对比研究了石墨醚和石墨烯声子热输运的尺寸效应。图 5 揭示出石墨醚和石墨烯晶格热导率显著依赖于材料尺寸。石墨醚晶格热导率在 10⁴~10⁵ nm 范围内收敛，而石墨烯晶格热导率在材料尺寸大于 10⁶ nm 时才开始收敛。因此，与石墨烯相比，石墨醚晶格热导率具有较弱的尺寸效应。

▲	图 5. 300 K 下，（a）石墨醚和（b）石墨烯晶格热导率的材料尺寸依赖性。

结论

作者利用第一性原理计算了石墨醚晶格热导率，300 K 下其 armchair 和 zigzag 方向上的数值分别为 600.91 W m^-1 K^-1 和 393.32 W m^-1 K^-1。通过计算声子群速度、声子寿命、Grüneisen 参数和声子散射相空间，结果显示，与石墨烯相比，石墨醚具有较低声子群速度和声子寿命。该研究成果首次揭示石墨醚的声子热输运机理，为石墨醚在电子器件中的应用奠定重要的理论基础。

该研究工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省重点研发计划等项目资助。山东大学杨晓恒和韩丹为本文共同第一作者，王鑫煜副教授和杜慕博士为本文共同通讯作者。

论文信息

• First-principles calculations of phonon behaviors in graphether: a comparative study with graphene
  Xiaoheng Yang‡, Dan Han‡, Hongzhao Fan, Man Wang, Mu Du* (杜慕，山东大学) and Xinyu Wang* (王鑫煜，山东大学)
  Phys. Chem. Chem. Phys., 2021, 23, 123-130
  

原文链接
http://doi.org/10.1039/D0CP03191G

相关进展
浙江大学许震特聘研究员、高超教授团队：以氧化石墨烯为例初绘二维大分子构象工程蓝图

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。