发布时间：2023-10-18
近日，金沙威尼斯欢乐娱人城声子学中心陈杰教授团队与新加坡高性能计算研究所张刚教授合作，在《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）上发表了题为“Impact of moiré superlattice on atomic stress and thermal transport in van der Waals heterostructures”的研究论文，深入揭示了层间转角调控石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格面内热导率的物理机制，并入选该期刊Featured Article在其官网首页宣传展示(https://pubs.aip.org/aip/apr)。
在垂直堆垛的二维范德华异质结中，晶格失配和层间转角的变化导致了结构莫尔图纹的出现，并赋予了莫尔超晶格体系新的全局对称性，这会对层间相互作用产生周期性调制，并引发一系列新奇的物理现象，例如莫尔声子、莫尔激子、拓扑相变以及莫尔超导性等。同时，得益于制备技术的不断进步，动态调控石墨烯/六方氮化硼范德华异质结层间转角的实验手段日益成熟，这使得石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格成为第一个得到广泛理论和实验研究的莫尔超晶格体系，与层间转角相关的一系列新奇物理特性也被揭示，例如Hofstadter Butterfly能谱、莫尔超晶格次级狄拉克点等。
除了能够对电子的能带结构产生显著影响，层间转角作为一种全新的调控手段还会显著改变莫尔超晶格的声子特性。例如在双层转角石墨烯以及黑磷体系中均存在所谓的“声子魔角”，即体系热导率在特定层间转角出现极值。此外，层间转角依赖的莫尔声子模式也已经被理论计算和实验测量所证实。然而，现有研究主要关注于层间转角对莫尔超晶格中特定声子模式的影响，但是人们对于层间转角如何影响莫尔超晶格体系宏观热输运性能，以及结构莫尔图纹、原子应力分布和热输运性能之间的相互关系等深层次物理机制问题仍然缺乏清晰的理解。
在这项工作中，陈杰教授团队利用分子动力学模拟方法，系统研究了小角度层间旋转下石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格面内热导率的变化，并探究了其与原子应力幅值分布之间的关系，从原子热流和声子透射谱两个方面揭示了莫尔超晶格面内热输运性能随层间转角变化的物理机制。研究发现，小层间转角范围内（≤3.74˚），莫尔超晶格面内热导率随层间转角的增加而单调下降。原子应力幅值的分布具有与结构莫尔图纹相一致的周期性，且在AA堆垛区域原子应力幅值处于最大值（图1（a））。随着层间转角的增大，原子应力幅值的最大值迅速衰减。
为了阐明小角度层间旋转下莫尔超晶格结构面内热导率的转角依赖特性，同时揭示其与原子应力和结构莫尔图纹间的关系，本工作还从原子热流的角度分析了其中的物理机制。在AA堆垛区域，原子应力幅值为最大值，但原子热流大小的幅值则处于最小值（图1（b））。这表明原子应力与原子热流间具有强烈的相关性，且与结构的周期性密不可分，这直接证实了莫尔超晶格周期性的层间相互作用对面内热输运性质的重要调制能力。
图1：(a)层间转角为3.74˚时，石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格中石墨烯层原子应力幅值的分布。(b)层间转角为0˚时，原子应力幅值(方点实线)和面内原子热流大小幅值(圆点虚线)的分布。(c)层间转角为3.74˚时，石墨烯/六方氮化硼莫尔超晶格中石墨烯层原子热流方向偏转量的概率(
)分布。(d)不同层间转角下面内原子热流大小幅值的最小值
以及单位长度下周期数
，分别用实心以及虚线柱状图表示。
除了原子热流大小，本工作还同时分析了原子热流方向对热输运性能的影响：面内原子热流方向偏转量的概率反映了声子散射的强度，也显示出了周期性变化，其周期长度与结构的莫尔图纹周期相一致（图1（c））。通过对比原子热流大小的极小值与单位长度下莫尔周期数随层间转角的变化（图1（d）），本研究揭示了原子热流大小和方向改变量两者存在竞争机制，共同影响莫尔超晶格体系面内热导率，并且明确了原子热流方向变化在决定面内热输运性能上起主导作用。最后，本工作进一步揭示了低频区声子透射谱峰值下降和峰值位置蓝移是导致面内热导率随层间转角增加而下降的重要原因。
该研究工作为理解莫尔超晶格系统中结构莫尔图纹、原子应力分布和热输运性能之间的相互关系提供了清晰的物理机制解释，为调控莫尔超晶格体系中热传导特性提供了新的有效途径，这有助于更好地设计和优化新型低维纳米材料，为可持续能源技术的发展和高效热管理提供创新性思路。
我校金沙威尼斯欢乐娱人城2019级博士生任卫君为论文第一作者，陈杰教授和新加坡高性能计算研究所张刚教授为论文共同通讯作者。该研究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以及新加坡科技研究局专项基金等项目支持。
