8月，物理科学与工程学院声子学中心陈杰教授课题组在《Nanomaterials》在线发表了题为“How hydrodynamic phonon transport determines the convergence of thermal conductivity in two-dimensional materials”的研究论文，重点关注并解释了二维材料中声子的特殊输运以及热导率难收敛的现象。
与三维块体材料相比，低维纳米材料是一类特殊的材料，由于结构的对称性不同以及较大的比表面积等原因，使得低维纳米材料在热传导方面表现出不同的各向异性、界面散射以及尺寸效应等新奇性质。其中关于二维材料热导率难收敛这一现象的解释始终众说纷纭。
在本工作中，通过求解玻尔兹曼输运方程，我们研究了截断半径的选择对三阶力常数的影响（见图1(a-c)）。单层石墨烯的热导率展示出了对截断半径强烈的敏感性，并且需要考虑一个大的截断半径才得以收敛。单层硅烯的热导率对截断半径的敏感程度要低于石墨烯且易于收敛。作为二维材料的对照项，块体硅的热导率对截断半径的不敏感让我们着重关注于二维材料中特殊的声子散射机制和声子输运行为。
图1. 对于不同的截断半径，(a)石墨烯，(b)硅烯，以及(c)块体硅的室温热导率随着网格Q的发散及收敛。
通过计算并对比Normal散射率和Umklapp散射率，我们对材料内的声子输运行为以及散射机制进行了全面的研究（见图2 (a-i)）。在拥有强声子水动力学输运行为的石墨烯中，Normal散射过程占据了主导地位，声子在石墨烯内部几乎没有散射，以一种集体漂移的行为进行传播，这导致了非常长的声子平均自由程（MFP）和热能的快速输运。这种长MFP声子以及声子的集体漂移行为导致了石墨烯中原子间的长程相互作用。因此，声子的水动力学输运行为所诱导的长程相互作用是石墨烯热导率难收敛的原因所在。与石墨烯类似，硅烯的低频段内的Normal散射也占据了主导地位，但是其与Umklapp散射之间的差异远小于石墨烯，因此较弱的水动力学行为导致其热导率可以相对更快地收敛。相反，三维材料中的声子散射谱没有差异，且Umklapp散射成为了主要的散射过程，这导致了水动力学输运的消失，因此块体硅的热导率不存在难收敛的问题。
图2. 不同截断半径下的Normal散射率，Umklapp散射率，以及平均散射率的对比。(a)-(c)石墨烯，(d)-(f)硅烯，(g)-(i)块体硅。
本工作提出的声子水动力学输运与热导率收敛性之间的关联，为深入理解声子散射机制和对热传导的影响提供了直接证据，将对低维纳米材料和块体材料热输运研究产生重要影响。
硕士生姜剑辉为论文第一作者，我院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重大项目以及上海市自然科学基金等项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.3390/nano12162854
