导读
1月8日，同济大学物理学院声子学中心陈杰教授团队在期刊《Applied Physics Letters》发表了题为“Importance of hydrogen bond configuration on lattice thermal conductivity of hydrogenated borophene”的研究论文，深入揭示了不同的氢键构型对氢化硼烯晶格热导率的重要影响。
研究背景
热管理已成为限制半导体电子器件发展的一个重要因素，而具有高热导率和新型热输运机制的二维材料有望解决这一问题。例如，悬浮的单层石墨烯在室温下具有超高的晶格热导率，约为3000 Wm-1K-1，其在热管理方面具有广泛的应用前景。然而，石墨烯的零电子带隙使得它不适合应用于半导体电子器件，这也激励了近年来对其他二维材料的不断探索，包括二维硼烯及其衍生物。
二维硼烯的结构具有多种稳定构型，这种结构多样性使硼烯成为了一种引人注目的材料，有望在电子领域得到应用。最近的实验工作表明，表面氢化可以增加硼烯在空气环境中的稳定性。此外，氢化将硼烯从金属转化为半导体，进一步促进了其在电子器件中的应用。
先前对其他二维材料的研究也表明，表面氢化是一种调整物理和化学性质的有效方法。例如，表面氢化可以增强黑磷的化学稳定性，控制MXene的磁性，还可以提高其电催化性能。在热传输领域，石墨烯的热导率随表面氢原子浓度的变化而持续受到抑制。而在硅烯和单层GaN中，由于光学声子模式蓝移和声子-声子散射的减少，氢化导致它们的热导率增加。氢化硼烯(BH)表面氢钝化后可生成不同的氢键构型，然而，B-H键构型对热输运的影响仍未被探索，深入理解不同氢键对氢化硼烯晶格热输运的影响对于调控二维材料热导率具有重要意义。
研究亮点
利用密度泛函理论和声子玻尔兹曼输运方程，我们研究了两种具有不同B-H键构型的氢化硼烯结构的晶格热导率。计算发现，有桥位B-H-B键的氢化硼烯结构(BHb)的晶格热导率比只有末端B-H键的氢化硼烯结构(BHt)的晶格热导率高2倍以上。受益于硼原子的缺电子特性，桥接的B-H-B键可以向硼烯层提供电子，产生更强的B-B共价键。这种特殊的氢键构型进一步导致光学声子模式的蓝移和低频声子模式的聚束效应，这两种效应可以增加声子群速度和抑制声子-声子散射，从而提高晶格热导率。我们的工作提供了一种通过结构优化调控二维材料晶格导热性的新方法。
图一 两种氢化硼烯的晶格结构及成键特性（a）BHb（b）BHt。(c)两种氢化硼烯的热导率。（d）两种氢化硼烯的声子散射相空间，插图为格林艾森常数。
χ3硼烯表面氢化后可以生成两种BH结构(BHb和BHt)。如图一（a）（b）所示，在BHb结构中，H原子位于χ3硼烯的两侧。形成一个典型的两中心双电子键(2c-2e)。另一个H原子位于两个B原子中间的桥位，形成桥接的B-H-B键，这是一个典型的三中心双电子键(3c-2e)。在BHt结构中，两个H原子都在同一侧，并且都位于B原子的顶端，是典型的两中心双电子键。为了进一步证明B-H的成键状态，我们计算了不同B-H键的电荷密度分布。顶部位置的H原子通过形成2c-2e键从B原子中夺走一个电子，导致相邻的B-B共价键中电子的分布较弱。相反，BHb结构中的3c-2e键为中间的硼烯层提供了一个电子，从而加强了B原子之间的共价键。
为了揭示氢键构型对热输运的影响，我们采用声子玻尔兹曼方法计算了了两种BH结构的热导率，如图一（c）所示。有趣的是，BHb室温下的晶格热导率为~74 Wm-1K-1，是BHt (~33 Wm-1K-1)的两倍多。换句话说，仅仅通过改变氢键的取向，就可以在不改变材料组分的情况下使氢化硼烯的热导率增加一倍，这凸显了一种优化二维材料热导率的新策略。
为了理解BHb中热导率增加的物理机制，我们比较了两种BH结构的声子色散。与BHt相比，我们观察到BHb的声子色散有明显的蓝移现象。这种蓝移与强的共价相互作用有关。这也说明桥位B-H键有助于BHb中共价相互作用的增强。特别的是，声子模式的蓝移使得沿着高对称路径Γ→Y→M的低频声子模式发生了声子集束现象，这两个特征会显著影响声子输运。
为了揭示声子模式蓝移的起源，我们将BH结构中的原子分为了两类，然后分解单个原子的声子态密度(PDOS)。以BHb为例，构成B-H-B键的6个原子归为Ⅱ型(B1、B2、B5、B6为BⅡ，H2、H4为HⅡ)，其余原子归为Ⅰ型(B3、B4、B7、B8为BⅠ，H1、H3为HⅠ)。基于晶格结构的相似性，我们对BHt结构进行了相同的分类。与BHt中的PDOS相比，BHb中声子频率的蓝移主要由桥位B-H-B键中的BⅡ贡献。为了量化桥位B-H键对声子模式蓝移的影响，我们比较了由BII原子构成的B-B键的强度。我们发现BHb中的B-B键的力常数几乎是BHt的三倍。因此桥位B-H键导致BHb中的声子模式蓝移。
为了进一步揭示桥位B-H键对声子输运的影响，我们首先比较了两种BH结构的声子群速度。在BHb中观察到了声子群速度的大幅增强，这可以归因于上面讨论的BHb中的蓝移特征。另一方面，从计算出的声子弛豫时间可以看出，在整个频率范围内，BHb的声子弛豫时间都明显大于BHt的声子弛豫时间。因此，与BHt相比，声子群速度和声子寿命的增加是BHb的热导率更高的原因。
为了更直观地理解声子寿命的差异，我们还比较了两种BH结构的声子散射相空间，如图一（d）所示。我们发现BHt的三声子散射相空间(P3)明显大于BHb，说明BHt中声子-声子散射通道较多。对于三声子散射过程，需要满足能量守恒定律，即ω1±ω2=ω3
总结与展望
综上所述，我们利用第一性原理计算和声子玻尔兹曼输运方程，研究了两种氢化χ3硼烯的晶格热导率。具有桥位B-H键的氢化硼烯表现出更高的热导率，是仅具有顶端B-H键的氢化硼烯热导率的两倍以上。我们的分析表明，桥位B-H键可以为硼烯提供额外的电子，从而增加了B-B共价键的强度。这种增强引起声子模式的蓝移和低频声子模式的集束效应，从而导致具有桥位B-H键的氢化硼烯中的声子群速度和弛豫时间增加，最终提高了晶格热导率。我们的研究提供了一种通过结构优化来增加二维材料晶格热导率的新方法。
同济大学物理学院博士生何佳为论文第一作者，同济大学物理学院张忠卫助理教授和陈杰教授为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、上海市科委、中央高校基本科研业务专项资金等项目支持。
文章引用：Appl. Phys. Lett. 124, 022201 (2024)
文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0188319
