近日，物理科学与工程学院陈杰教授团队在美国物理联合会旗下著名期刊Applied Physics Letters（应用物理快报）上发表了题为“Phonon physics in twisted two-dimensional materials”的综述文章。文章重点回顾了转角二维堆垛材料中的声子特性的最新研究进展，同时详细介绍了层间转角对声子在不同方向的输运特性的影响。最后，分析讨论了目前在转角二维材料声子特性研究中所面临的问题与挑战，并从理论模拟和实验测量角度提出了前瞻性的解决方案。
自2004年石墨烯被发现后，二维材料发展迅速，迄今为止，已发现了至少几十种不同的二维材料。从电学性质角度进行划分，已经涵盖了从绝缘体、半导体、导体甚至超导体等不同的属性。与强的层内共价作用相比，二维材料层间相对较弱的范德华相互作用使得逐层组装这些性质截然不同的二维材料成为了可能，这为设计和制造具有不同结构和性能的范德华同质/异质结构提供了有利条件。值得注意的是，近日，研究人员已经通过特定的电学平台实现了动态调节二维堆垛结构的层间转角，且层间转角对体系电学、光学以及磁学等性质的巨大的调节作用也已经被广泛研究与证实。例如，研究人员在双层以及多层石墨烯中通过调节层间转角实现了从绝缘相到超导相的转变。这些通过层间转角调节体系的电子以及光子行为的发现，推动了研究人员对转角二维材料中声子特性的研究。
在同质二维堆垛体系中，作为迄今为止研究最为广泛的转角二维材料，转角石墨烯一直是实验以及理论研究的焦点。本文中首先回顾了Balandin等人对转角双层石墨烯的声子色散以及态密度的理论研究工作。通过计算，他们发现双层石墨烯中的层间转角导致在体系声子谱中出现了混合折叠的声子分支（莫尔声子），且其频率对层间转角非常敏感如图1(a)-(c)。随着转角的增大，体系布里渊区尺寸的减小使得声子的动量变化和声子模式在布里渊区不同的高对称路径上的耦合是其出现转角依赖的声子色散的重要原因。同时，研究人员还发现，转角对层间声子的耦合模式（层间剪切模式和层间呼吸模式）的影响存在显著差异。如图1(d)所示，层间剪切模式随着转角增加而显著增强，但层间呼吸模式的变化不明显。此外，除了堆垛石墨烯体系，我们还回顾了在其他的双层以及多层堆垛材料中转角对其层间相互作用以及层间声子耦合强度的实验测量以及理论模拟的研究进展。
研究表明，层间转角不仅能够调节均质二维堆垛结构的物理特性，在范德华异质结中，由层间转角以及晶格失配共同导致的周期性的莫尔图纹也会对晶格振动及其热输运特性产生深远影响，本文回顾了本课题组在层间转角对于石墨烯/氮化硼异质结面内以及面外方向的热输运性质的影响的研究进展。如图2所示，在0°至60°之间，层间转角对石墨烯/氮化硼异质结面内热输运的影响遵循正弦曲线的变化趋势，石墨烯层的表面起伏则呈现出相反的振荡趋势。并且，研究人员从不同角度下的声子的弛豫时间角度进行了分析，如图2(d) ,较大的表面起伏导致了更多声子局域在褶皱处，声子散射强度的增大，这使得弛豫时间随角度的增大而减小。此外，本文还回顾了本课题组在层间转角对于石墨烯/氮化硼异质结面外方向的热输运性质的影响的研究结果，并从石墨烯层的表面起伏和声子透射谱角度给出了物理机制的分析。如图3所示。结果表明，在0°到30°范围内，氮化硼/石墨烯/氮化硼范德华异质结的界面热导随角度的增加单调下降，这主要是由于声子的透射随角度的增加逐渐减弱，且通过分析石墨烯层和氮化硼层面外方向的声子态密度进一步证实了低频声子对界面热输运的决定性作用。最后，在层间转角对二维堆垛材料热输运性能的影响上，其他不同的体系，例如转角双层堆垛MoS2以及BP体系也同时被回顾与比较。
这项工作总结了近年来对转角二维材料的声子特性及其热输运性能最新的研究进展，提出了针对转角二维材料声子特性的前瞻性的研究方向和热点，对低维纳米材料的声子调控工程及热管理具有重要意义。同济大学博士生任卫君为文章第一作者，同济大学陈杰教授与新加坡科技研究局高性能计算研究中心张刚教授为共同通讯作者。
图1. (a)单层石墨烯 (b)AA堆垛双层石墨烯 (c)双层堆垛石墨烯不同层间转角下声子的态密度 (d)转角四层石墨烯的布里渊区中心层间剪切以及呼吸模式的拉曼光谱
图2. (a)不同层间转角的石墨烯/氮化硼范德华异质结结构示意图 (b)石墨烯层的结构涨落随层间转角的变化 (c)石墨烯层的面内热导率随层间转角的变化 (d)声子弛豫时间随层间转角的变化
图3. (a)不同层间转角的氮化硼/石墨烯/氮化硼范德华异质结界面热导随角度以及层数的变化 (b)石墨烯层的结构涨落随层间转角的变化 (c)声子透射谱随层间转角的变化 (d)石墨烯层以及氮化硼层的面外振动的声子态密度
联系方式：jie@tongji.edu.cn
原文标题：Phonon physics in twisted two-dimensional materials
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0106676
