低維材料在線：二維世界中的熱輸運(yùn)

石墨烯的興起推動(dòng)了對(duì)其他二維層狀材料（2DLMs）的深入研究。在過去十年中，2DLMs憑借其優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械性能，已被用作構(gòu)建各種新型光、熱、電功能器件和能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備構(gòu)的重要組成部分。巨納集團(tuán)旗下低維材料在線91cailiao.cn的技術(shù)工程師Ronnie介紹，除了它們卓越的光學(xué)，電學(xué)和機(jī)械性能，2DLMs還展示了引人入勝的熱學(xué)性能。在這里，2DLMs的廣泛應(yīng)用需要全面了解2DLMs的熱載流子輸運(yùn)的物理機(jī)制及襯底的接觸對(duì)熱傳輸?shù)挠绊?，因?yàn)檫@與新興器件水平上的能量消耗、熱耗散、能量轉(zhuǎn)換和熱調(diào)控息息相關(guān)。事實(shí)上，由于獨(dú)特和多樣化的二維晶體結(jié)構(gòu)和不同聲子模式對(duì)熱傳輸?shù)呢暙I(xiàn)，2DLMs系統(tǒng)在熱傳輸上盡管有一些共同的熱學(xué)性質(zhì)，例如層數(shù)依賴的熱導(dǎo)率，每種材料還具有更獨(dú)特的熱學(xué)性能可以加以利用 。盡管有如此優(yōu)越的預(yù)期性能，對(duì)于高質(zhì)量2DLMs本征的熱學(xué)測(cè)試、不同2DLMs獨(dú)特?zé)釋W(xué)性能（如尺寸依賴性能與各向異性）、以及多種2DLMs組合的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱學(xué)特性的研究仍處于不斷探索中。目前已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測(cè)為后續(xù)研究提供了借鑒價(jià)值。

基于上述二維材料熱學(xué)領(lǐng)域已有的發(fā)展和遭遇的挑戰(zhàn)，南京大學(xué)朱嘉教授課題組撰寫了綜述論文，系統(tǒng)地分析了2DLMs 熱學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，并且針對(duì)幾種2DLMs （包括Graphene、MoS2、h-BN、black phosphorous 和Bi2Te3）熱導(dǎo)率分別做了總結(jié)與分析。論文首先介紹了二維材料領(lǐng)域中熱導(dǎo)率測(cè)試的兩種主流方式(Suspended Micro-Bridge Method & Optothermal Raman Technique)，討論了各自的優(yōu)勢(shì)與局限，兩種測(cè)試手段都能利用懸空器件特性，排除襯底影響以得到二維材料本征的熱傳導(dǎo)性能； 文獻(xiàn)中熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果表明，2DLMs熱傳導(dǎo)性能精確地受到樣品尺寸和材料結(jié)構(gòu)的影響：隨著原子層數(shù)的變化，不同材料熱導(dǎo)率呈現(xiàn)出奇特的變化趨勢(shì)（如Graphene、MoS2、h-BN、black phosphorous）；對(duì)于各向異性熱傳輸，2DLMs中天然層內(nèi)共價(jià)鍵結(jié)合與層間范德瓦爾斯力結(jié)合的特點(diǎn)，導(dǎo)致了每種材料層內(nèi)與層間熱導(dǎo)率的差異，另外結(jié)合材料層內(nèi)結(jié)構(gòu)的各向異性，如黑磷材料，沿armchair（AM） 和 zigzag（ZZ）兩個(gè)方向也可以得到顯著的熱導(dǎo)率差異。作者還對(duì)2DLMs在實(shí)際能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用做了介紹與展望，如高導(dǎo)熱性材料（石墨烯和氮化硼），在散熱和儲(chǔ)能領(lǐng)域的輔助作用，以及black phosphorous和Bi2Te3 在熱電轉(zhuǎn)換中的潛在發(fā)展。這些研究工作對(duì)于二維材料中熱傳輸基本物理機(jī)制的探索具有重要參考意義，為構(gòu)建更高性能的電子、光電子以及能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)器件提供了指導(dǎo)方向。該綜述文章在線發(fā)表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201604134）上。

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