來源|Materials Today Physics

01

背景介紹

扭曲雙層石墨烯(TBG)表現(xiàn)出具有較大第二晶格周期性的moire圖。當兩層石墨烯之間的扭轉角達到1.08度時，出現(xiàn)能帶雜交和避免交叉，導致在Dirac點附近形成平坦帶。這種不尋常的行為被稱為“魔角”，導致了在單層或雙層石墨烯中都不常見的新現(xiàn)象。其中包括電子相關、超導、自發(fā)鐵磁性、量子化異常霍爾態(tài)和拓撲保護態(tài)。這個魔角自從其理論預測和實驗觀測以來，近年來引起了大量的研究興趣。

目前，對TBG的研究大多集中在電子性質上，對熱輸運性質的研究較少。考慮到單層石墨烯在室溫下具有優(yōu)異的導熱系數(shù)~ 3000-5000 W/mK，并且在熱管理方面具有廣泛的應用，明確其熱傳遞特性如何依賴于扭轉角也是非常重要的。由于雙層石墨烯的扭轉可以產(chǎn)生類似于聲子晶體的第二周期，因此TBG的熱輸運性質應該與扭轉角有關。

雖然熱輸運在TBG已經(jīng)研究了一段時間，潛在的聲子輸運機制在不同的扭轉角度仍然不清楚。首先，已知的魔角約為1.08度。然而，目前研究熱輸運的實驗和模擬并沒有涵蓋這個角度，而是研究了從0度到30度的大角度步長。因此，導熱系數(shù)如何圍繞魔角變化仍然是一個未解決的問題。

02

成果掠影

近期，廣東工業(yè)大學熊世云教授聯(lián)合南方科技大學李保文教授在研究魔角扭曲雙層石墨烯熱導率取得新進展。

在這項工作中，團隊報告了1.08?附近的異常行為，其中熱導率顯示局部最小值。報道了扭曲雙層石墨烯(TBG)的局部最小導熱系數(shù)，這與其他幾個已報道的性質轉變中的“魔角”相對應。在moire晶格的超級單體內(nèi)，不同的堆疊模式會產(chǎn)生聲子散射，從而降低TBG的導熱系數(shù)。熱魔角的產(chǎn)生一方面是原子振動振幅和應力的離散區(qū)域，另一方面是AA堆積密度的增加。前者削弱了單個散射體的散射強度，后者增加了散射體的密度。這兩種作用的結合最終導致熱傳導中突出的不規(guī)則現(xiàn)象的出現(xiàn)。本文揭示了納米尺度下新的熱機制，進一步揭示了二維材料的獨特物理特性。

研究成果以“Magic angle in thermal conductivity of twisted bilayer graphene ”為題發(fā)表于《Materials Today Physics》。

03

圖文導讀

圖1.上圖：在TBG中形成的Moire晶格，圓形表示AA、AB和SP堆疊的相對位置，黑色平行四邊形表示Moire晶格的單元格。下圖：AA、AB和SP堆疊的原子排列。

圖2.(a) 300 k下，TBG的總、面內(nèi)、面外導熱系數(shù)隨扭轉角從0?到30?的變化,(b) TBG的總導熱系數(shù)隨扭轉角低于5?的變化,(c)在300 K、400 K和500 K溫度下，TBG的總導熱系數(shù)與扭轉角的關系,(d)在300 K、400 K和500 K溫度下，未扭轉結構的歸一化導熱系數(shù)與扭轉角的關系。

圖3.平面原子振動幅值在(a) θ = 1.08?，(b) θ = 1.56?，(c) θ = 5.0?的空間分布。

圖4.(a) θ = 1.08?，(b) θ = 1.56?，(c) θ = 5?在300 K下石墨烯底層原子應力沿x方向的空間分布。

圖5.(a) θ = 1.08?和(b) θ = 5?時AA, AB和SP堆疊區(qū)原子的聲子態(tài)密度。

圖6.聲子平均自由路徑作為頻率的函數(shù)θ = 0?，0.5?，1.08?，5?，10?和30?。

END

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審核編輯黃宇