【摘 要】
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近年来,由于具有优异的物理化学性质,二维材料受到了全世界的广泛关注。其优异的热物理性质更使得二维材料有望成为未来理想的热电材料或散热材料。性能优异的热电材料可以高效、直接地将废热转化为电能。在能源危机和全球变暖的背景下,寻找性能优异的热电材料对于能源的可持续发展至关重要。同时,新型电子器件的微纳米尺度化迫使人们必须为其散热问题提供有效的管理方案。这些问题都亟待解决。所以,研究二维材料的声子热输运特
【基金项目】
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国家自然科学基金（51720105007,52076031,51806031）； 中央大学基础研究基金（DUT19RC（3）006）；
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近年来,由于具有优异的物理化学性质,二维材料受到了全世界的广泛关注。其优异的热物理性质更使得二维材料有望成为未来理想的热电材料或散热材料。性能优异的热电材料可以高效、直接地将废热转化为电能。在能源危机和全球变暖的背景下,寻找性能优异的热电材料对于能源的可持续发展至关重要。同时,新型电子器件的微纳米尺度化迫使人们必须为其散热问题提供有效的管理方案。这些问题都亟待解决。所以,研究二维材料的声子热输运特性对于应用二维材料解决热电转换和热管理问题具有重要意义。此外,目前,虽然有诸多工作涉及到二维材料热物性以及热物理参数调控的研究,但在理论计算方面,研究二维材料热物性常用的方法仅能考虑到二阶和三阶散射对晶格热导率（KL）的影响,目前关于四阶乃至更高阶散射影响二维材料热输运的研究较为缺乏。然而,面对已经存在的理论计算高估材料热导率的现象,考虑四阶乃至高阶散射对κL的影响去研究材料的声子热输运特性显得尤为重要。所以,在这篇文章中:首先,我们对单层正交ScX2（o-ScX2）（X=C和N）的热物性进行了研究。先前的工作表明单层o-ScC2和o-ScN2具有成为优良钠离子电池阳极材料的巨大潜力,我们从两种材料的色散关系中注意到单层o-ScX2（X=C和N）化合物也存在在热电领域发挥作用的潜力。与大多数含有C或N原子的高κL材料不同,单层o-ScX2（X=C和N）表现出非常低的各向异性κL。单层o-ScC2沿X和Y方向的κL3（包括三声子散射和同位素散射影响的κL）分别为2.79 W/mK和1.55 W/mK,单层o-ScN2为1.57 W/mK和0.56 W/mK。通过规则残差分析我们确定了四声子散射在两种材料的κL中起着重要作用。通过计算四阶原子间力常数,我们获得了附加四声子散射效应的κL3+4。单层o-ScC2沿X和Y方向的κL3+4分别为1.26 W/mK和0.76 W/mK,单层o-ScN2分别为1.35 W/mK和0.49 W/mK。结合声子分析,我们发现对于单层o-ScX2（X=C和N）,四声子散射通道数量和四声子散射强度在不同频段发挥着不同作用,这是一个非常有趣的现象。此外,可以注意到o-ScX2（X=C和N）的低κL是许多因素的结果,例如重原子掺杂、Sc原子沿面外方向振动以及C（N）原子沿面内方向振动所引起的强非简谐性、重要的四声子散射和C（N）原子和Sc原子之间的强极化共价键。此外,有趣的是单层o-ScX2（X=C和N）的热输运特性是由不同的声子机制导致的,例如单层o-ScC2和单层o-ScN2的不同κL是由非简谐性决定的,而简谐性在单层o-ScX2（X=C和N）的κL各向异性中起到更重要的作用。总而言之,我们的研究有望为单层o-ScX2（X=C和N）在热电领域的应用提供重要指导。其次,我们采用第一性原理计算结合玻尔兹曼输运方程的方法和声子谱能密度分析方法计算了单层蜂窝状BX（h-BX）（X=P、As、Sb）的κL。近几年来,立方砷化硼的较高热导率以及其优异的热学性质受到全世界的广泛关注,它的超高热导率甚至可以与金刚石相竞争。那么,立方砷化硼从三维结构转变到二维结构后,是否会像金刚石到石墨烯一样实现热导率的飞跃?然而目前已有的工作仅报道了包括三声子散射、同位素散射在内的κL,并且不同工作的计算结果也存在分歧。所以,我们分别考虑三声子散射、四声子散射、多声子散射计算了单层h-BX（X=P、As、Sb）的κL。我们首先获得了单层h-BX（X=P、As、Sb）仅考虑三声子散射、同位素散射的κL3,并解释了κL3随平均原子质量增加而减小的单调变化。单层h-BX（X=P、As、Sb）在室温下的对应值分别为278.2 W/mK、205.7 W/mK、20.2 W/mK。然后我们进行规则残差分析确定了在计算单层h-BX（X=P、As、Sb）κL时考虑四声子散射的必要性。通过计算四阶原子间力常数,我们获得了单层h-BX（X=P、As、Sb）考虑四声子散射的κL3+4。单层h-BX（X=P、As、Sb）的室温κL3+4分别为61.12 W/mK、37.99 W/mK、5.73 W/mK,这与我们采用声子谱能密度分析方法考虑所有阶声子散射预测的单层h-BX（X=P、As、Sb）的室温KL∞非常吻合,分别为 54.05±21.48 W/mK（h-BP）、18.20±4.47 W/mK（h-BAs）、2.46±0.34W/mK（h-BSb）。我们的结果表明,四声子散射对单层h-BX（X=P、As、Sb）κL的影响不容忽视,并且在考虑四声子散射后,单层h-BX（X=P、As、Sb）的κL依然遵循单调变化。较大的平均原子质量和较弱的键合强度、中频ZO支的存在以及散开的声学支、As（Sb）原子的面内振动所导致的强非简谐性、重要的四声子散射,这些因素决定了单层h-BAs（h-BSb）的低（超低）κL。我们的工作有望结束关于单层h-BAs κL数值模拟上的分歧,并发现了单层h-BSb在热电领域应用的潜力。
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