中國粉體網(wǎng)訊  石墨烯，一種由碳原子組成的單層材料，被許多人譽為材料科學(xué)的“下一個大事件”。但根據(jù)普渡大學(xué)的研究人員稱，它的熱性能可能并非如先前所認為的那樣具有革命性。

石墨烯是人類創(chuàng)造的第一個二維材料，厚度只有一個原子。在2004年被首次發(fā)現(xiàn)，2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。自那時起，由于其獨特的性質(zhì)，一直受到許多研究人員的關(guān)注。例如，據(jù)說石墨烯在科學(xué)界已知的所有材料中都具有最高的導(dǎo)電性能，并以其材料強度而聞名，并最佳導(dǎo)熱體的稱號。

“以前，人們認為導(dǎo)熱系數(shù)最高的材料是金剛石，也就是以最快速度傳遞最多熱量的材料。但是當石墨烯出現(xiàn)時，主流研究表明它比金剛石好得多。”

熱導(dǎo)率以瓦特每米每開爾文（W/(m·K)）為單位進行測量。在這個尺度上，金剛石的熱導(dǎo)率約為2000。但當科學(xué)家開始測量石墨烯的熱導(dǎo)率時，早期估計達到了5000以上。在隨后的實驗測量和建模對石墨烯的熱導(dǎo)率進行了精細調(diào)整，最近的研究將這一數(shù)字調(diào)整到約3000，仍然比金剛石好得多。

但普渡大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了完全不同的東西。機械工程學(xué)院的Xiulin Ruan教授及其團隊預(yù)測在室溫下石墨烯的熱導(dǎo)率為1300W/(m·K)——不僅低于金剛石，而且低于制成石墨烯的生石墨材料。相關(guān)研究成果以“Thermal conductivity of monolayer graphene: Convergent and lower than diamond”為題，發(fā)表于《Physical Review B》。

圖源：Physical Review B

他們的工作與之前的工作之間的差異歸結(jié)為一種稱為四聲子散射的現(xiàn)象。聲子是熱傳導(dǎo)科學(xué)家用于描述固體中熱量運動的量子機械水平上的方式。直到最近，研究人員只能通過理解三聲子散射來預(yù)測固體中的熱傳導(dǎo)。但在2016年，Ruan的團隊提出了四聲子散射的一般理論，并在一年后成功量化了四聲子散射。

那么，這與石墨烯有什么關(guān)系呢？

“石墨烯是一種只有一個原子厚的二維材料，先前的研究表明，三聲子散射會受到這種二維性的限制，理論上使得石墨烯的導(dǎo)熱性比體材料要好得多。但是四聲子散射不受石墨烯的二維性限制，而且效應(yīng)非常強烈。我們的工作表明，在石墨烯中，四聲子散射成為主導(dǎo)的散射通道，而不是三聲子散射�！�

圖1. 石墨烯中的聲子自能

發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的一個障礙是原始計算能力的可用性。計算這種四聲子散射需要一種并行計算策略，基本上使用了一臺具有一太字節(jié)內(nèi)存的計算集群。

目前，這些計算都是理論的。以前對石墨烯的測量存在較大的誤差，需要減小以驗證他們的理論。他們還計劃預(yù)測由多層原子組成的石墨烯的導(dǎo)熱性，而不僅僅是一層。

“石墨烯作為第一個二維材料，許多人認為它是一種魔法，人們相信它具有卓越的熱、力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)。作為熱傳導(dǎo)研究者，我們的工作是確認這一部分是否屬實。石墨烯仍然是良好的導(dǎo)熱體，但我們的工作預(yù)測它的熱導(dǎo)率不如金剛石好。”

圖2. 室溫下石墨烯熱導(dǎo)率的收斂

圖3. 光譜和模式貢獻

圖4. 石墨烯的導(dǎo)熱率與溫度的函數(shù)關(guān)系

結(jié)論

研究人員通過從第一原理考慮四聲子散射、聲子重整化、聲子玻爾茲曼傳輸方程（BTE）的精確解以及足夠密集的采樣網(wǎng)格來預(yù)測熱導(dǎo)率。在室溫下，熱導(dǎo)率在10微米的系統(tǒng)尺寸處飽和，并趨于1300 W/(mK)，低于金剛石的熱導(dǎo)率。這表明四聲子散射總體上對總熱阻的貢獻為57%，成為主導(dǎo)的聲子散射機制，超過了三聲子散射。相反，僅考慮三聲子散射會產(chǎn)生高于金剛石的值，并因撓曲聲子的守恒動量正常過程而隨尺寸增大而發(fā)散。

原文：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.L121412

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長蘇）

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