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Nano Letters刊登陈杰课题组在范德华异质结热输运领域的重要进展

发布时间:2021-03-04

3月3日,威尼斯电玩城游戏下载声子学中心陈杰教授课题组在《Nano Letters》在线发表了题为“The Impact of Interlayer Rotation on Thermal Transport Across Graphene/Hexagonal Boron Nitride van der Waals Heterostructure“的研究论文,揭示了层间转角调控石墨烯/六方氮化硼(graphene/h-BN)范德华异质结界面热导的物理机制。

近年来,二维材料制备技术蓬勃发展,由不同二维材料通过弱范德华力堆垛形成的“范德华异质结”,由于其种类和物理性质的多样性吸引了大量研究关注,尤其是graphene/h-BN范德华异质结。六方氮化硼具有与石墨烯相同的晶格结构和接近的晶格常数优良的绝缘特性、原子尺度平整的表面以及良好的化学稳定性,其作为衬底不仅可以保持石墨烯优异的输运性能,同时可以打破石墨烯的空间反演对称性,进而打开石墨烯狄拉克点处的能隙。此外,层间旋转已被证实能够显著改变二维材料的物理特性。例如,“魔角”双层石墨烯可以实现从绝缘态到高温超导态的转变。然而,现有研究仅限于转角对于二维材料光电特性的影响。

在这项工作中,陈杰教授团队利用非平衡态分子动力学方法系统地研究了层间旋转对graphene/h-BN范德华异质结层间导热性能的影响。研究发现,在无旋转情况下,graphene/h-BN范德华异质结的本征界面热导在500 K时高达509 MW/(m^2K),显著高于其他类型的范德华异质结。在0°到30°范围内,该体系的界面热导在不同温度下均随着层间转角的增大而单调下降,降幅高达50%。 通过比较晶格结构发现,界面石墨烯层的表面起伏随转角的增加而明显增大,导致声子散射显著增强。进一步计算界面处的声子透射频谱后发现,低频声子(< 10 THz)在graphene/h-BN 范德华异质结层间热传导中发挥了主导作用,由于界面处石墨烯层和h-BN层的原子振动频谱仅在10 THz以下存在交叠;随着层间转角的增大,界面声子透射率大幅降低,导致了转角依赖的界面热导。这项工作表明,层间旋转可用于动态调控二维堆垛材料界面热输运,为设计基于范德华异质结的热管理器件提供了坚实的理论指导。

我校威尼斯电玩城游戏下载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://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00294

图(a) Graphene/h-BN范德华异质结和模拟设置示意图;图(b) 界面热导随层间旋转角度的变化关系;图(c) 不同旋转角度下石墨烯层的表面起伏;图(d) 不同旋转角度下对应的界面声子透射谱。




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