Nanoscale：外加電場導致硅烯中的超低熱導率

【引言】

對於各種各樣的應用來說，材料中熱輸運的有效調控是非常重要、基礎的物理問題，同時也是一個工程問題。例如電子器件的高效散熱需要高熱導率，而熱電器件需要低熱導率。在半導體和絕緣體材料中，熱輸運的主要載流子是聲子。基於玻爾茲曼輸運理論，聲子熱輸運主要決定於比熱容、群速度以及最重要的聲子弛豫時間，所有的這些物理量本質上都是由材料的結構以及原子間相互作用決定的。因此通過改變材料的幾何構型或者原子的相對位置，可以實現熱輸運的調控。在過去的幾十年中，很多研究致力於此，比如合理的材料外形設計和組分控制，包括納米結構設計，在材料中引入孔洞等等。施加應變或者進行物理化學處理（氫化、氧化等）也是調控熱輸運的很好的方式。但是，所有這些常用的熱輸運調控手段都是破壞性的，會改變材料的固有結構，同時對熱輸運的調控幅度也有限。考慮到聲子熱輸運本質上決定於原子間相互作用，那麼如果通過施加電場，使材料中的電荷重新分布，進而改變原子-原子相互作用，將會是一種非常理想的可逆手段來調控熱輸運。此前的研究主要集中在電場對材料電學、光學性質的影響上，而對於電場是否可以直接用來調控熱輸運，調控效果如何，業內基本上還處於面面相覷，眾臉懵逼的狀態。

【成果簡介】

通過與中國科學院大學的Qing-Bo Yan合作，德國亞琛工大Ming Hu研究組的Guangzhao Qin等人基於第一性原理計算，以硅烯（Silicene）作為對象，系統研究了電場對熱導率的影響。通過施加電場，硅烯的熱導率可以顯著地被調控，尤其是在強電場的作用下，硅烯的熱導率從19.21 Wm-1K-1降低到0.091 Wm-1K-1，降低了兩個量級以上，在強電場下的超低熱導率甚至比擬於常用的熱絕緣材料。通過分析電場作用下電子結構的變化，電場對熱輸運的強力調控作用可以非常直觀的理解。在電場的作用下，電荷重新分布，引入原子間相互作用的屏蔽勢，因此硅原子間的相互作用被重整化，由於電聲耦合，進一步導致聲子重整化以及非簡諧性的變化，所以實現了熱導率的有效調控。這項工作提供了一種全新的調控熱導率的思路，不破壞材料即可調控熱導率，整個過程是可逆、無損的。

示意圖： 強電場導致硅烯中的超低熱導率，甚至接近熱絕緣。

主要結果圖：室溫下硅烯熱導率隨電場強度的變化。熱導率隨電場的增加先略微減小，然後增加一些，最後在大電場下急劇降低超過兩個量級。

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