魔角扭曲雙層石墨烯熱導(dǎo)率的研究

來源|Materials Today Physics

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背景介紹

扭曲雙層石墨烯(TBG)表現(xiàn)出具有較大第二晶格周期性的moire圖。當(dāng)兩層石墨烯之間的扭轉(zhuǎn)角達(dá)到1.08度時(shí)，出現(xiàn)能帶雜交和避免交叉，導(dǎo)致在Dirac點(diǎn)附近形成平坦帶。這種不尋常的行為被稱為“魔角”，導(dǎo)致了在單層或雙層石墨烯中都不常見的新現(xiàn)象。其中包括電子相關(guān)、超導(dǎo)、自發(fā)鐵磁性、量子化異?；魻枒B(tài)和拓?fù)浔Ｗo(hù)態(tài)。這個(gè)魔角自從其理論預(yù)測和實(shí)驗(yàn)觀測以來，近年來引起了大量的研究興趣。

目前，對TBG的研究大多集中在電子性質(zhì)上，對熱輸運(yùn)性質(zhì)的研究較少?？紤]到單層石墨烯在室溫下具有優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)~ 3000-5000 W/mK，并且在熱管理方面具有廣泛的應(yīng)用，明確其熱傳遞特性如何依賴于扭轉(zhuǎn)角也是非常重要的。由于雙層石墨烯的扭轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生類似于聲子晶體的第二周期，因此TBG的熱輸運(yùn)性質(zhì)應(yīng)該與扭轉(zhuǎn)角有關(guān)。

雖然熱輸運(yùn)在TBG已經(jīng)研究了一段時(shí)間，潛在的聲子輸運(yùn)機(jī)制在不同的扭轉(zhuǎn)角度仍然不清楚。首先，已知的魔角約為1.08度。然而，目前研究熱輸運(yùn)的實(shí)驗(yàn)和模擬并沒有涵蓋這個(gè)角度，而是研究了從0度到30度的大角度步長。因此，導(dǎo)熱系數(shù)如何圍繞魔角變化仍然是一個(gè)未解決的問題。

02

成果掠影

近期，廣東工業(yè)大學(xué)熊世云教授聯(lián)合南方科技大學(xué)李保文教授在研究魔角扭曲雙層石墨烯熱導(dǎo)率取得新進(jìn)展。

在這項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)報(bào)告了1.08?附近的異常行為，其中熱導(dǎo)率顯示局部最小值。報(bào)道了扭曲雙層石墨烯(TBG)的局部最小導(dǎo)熱系數(shù)，這與其他幾個(gè)已報(bào)道的性質(zhì)轉(zhuǎn)變中的“魔角”相對應(yīng)。在moire晶格的超級單體內(nèi)，不同的堆疊模式會產(chǎn)生聲子散射，從而降低TBG的導(dǎo)熱系數(shù)。熱魔角的產(chǎn)生一方面是原子振動振幅和應(yīng)力的離散區(qū)域，另一方面是AA堆積密度的增加。前者削弱了單個(gè)散射體的散射強(qiáng)度，后者增加了散射體的密度。這兩種作用的結(jié)合最終導(dǎo)致熱傳導(dǎo)中突出的不規(guī)則現(xiàn)象的出現(xiàn)。本文揭示了納米尺度下新的熱機(jī)制，進(jìn)一步揭示了二維材料的獨(dú)特物理特性。

研究成果以“Magic angle in thermal conductivity of twisted bilayer graphene ”為題發(fā)表于《Materials Today Physics》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.上圖：在TBG中形成的Moire晶格，圓形表示AA、AB和SP堆疊的相對位置，黑色平行四邊形表示Moire晶格的單元格。下圖：AA、AB和SP堆疊的原子排列。

圖2.(a) 300 k下，TBG的總、面內(nèi)、面外導(dǎo)熱系數(shù)隨扭轉(zhuǎn)角從0?到30?的變化,(b) TBG的總導(dǎo)熱系數(shù)隨扭轉(zhuǎn)角低于5?的變化,(c)在300 K、400 K和500 K溫度下，TBG的總導(dǎo)熱系數(shù)與扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系,(d)在300 K、400 K和500 K溫度下，未扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的歸一化導(dǎo)熱系數(shù)與扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系。

圖3.平面原子振動幅值在(a) θ = 1.08?，(b) θ = 1.56?，(c) θ = 5.0?的空間分布。

圖4.(a) θ = 1.08?，(b) θ = 1.56?，(c) θ = 5?在300 K下石墨烯底層原子應(yīng)力沿x方向的空間分布。

圖5.(a) θ = 1.08?和(b) θ = 5?時(shí)AA, AB和SP堆疊區(qū)原子的聲子態(tài)密度。

圖6.聲子平均自由路徑作為頻率的函數(shù)θ = 0?，0.5?，1.08?，5?，10?和30?。

END

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審核編輯黃宇