中國粉體網訊 石墨烯，一種由碳原子組成的單層材料，被許多人譽為材料科學的“下一個大事件”。但根據普渡大學的研究人員稱，它的熱性能可能并非如先前所認為的那樣具有革命性。
石墨烯是人類創造的第一個二維材料，厚度只有一個原子。在2004年被首次發現，2010年獲得諾貝爾物理學獎。自那時起，由于其獨特的性質，一直受到許多研究人員的關注。例如，據說石墨烯在科學界已知的所有材料中都具有最高的導電性能，并以其材料強度而聞名，并最佳導熱體的稱號。
“以前，人們認為導熱系數最高的材料是金剛石，也就是以最快速度傳遞最多熱量的材料。但是當石墨烯出現時，主流研究表明它比金剛石好得多。”
熱導率以瓦特每米每開爾文（W/(m·K)）為單位進行測量。在這個尺度上，金剛石的熱導率約為2000。但當科學家開始測量石墨烯的熱導率時，早期估計達到了5000以上。在隨后的實驗測量和建模對石墨烯的熱導率進行了精細調整，最近的研究將這一數字調整到約3000，仍然比金剛石好得多。
但普渡大學的研究人員發現了完全不同的東西。機械工程學院的Xiulin Ruan教授及其團隊預測在室溫下石墨烯的熱導率為1300W/(m·K)——不僅低于金剛石，而且低于制成石墨烯的生石墨材料。相關研究成果以“Thermal conductivity of monolayer graphene: Convergent and lower than diamond”為題，發表于《Physical Review B》。
圖源：Physical Review B
他們的工作與之前的工作之間的差異歸結為一種稱為四聲子散射的現象。聲子是熱傳導科學家用于描述固體中熱量運動的量子機械水平上的方式。直到最近，研究人員只能通過理解三聲子散射來預測固體中的熱傳導。但在2016年，Ruan的團隊提出了四聲子散射的一般理論，并在一年后成功量化了四聲子散射。
那么，這與石墨烯有什么關系呢？
“石墨烯是一種只有一個原子厚的二維材料，先前的研究表明，三聲子散射會受到這種二維性的限制，理論上使得石墨烯的導熱性比體材料要好得多。但是四聲子散射不受石墨烯的二維性限制，而且效應非常強烈。我們的工作表明，在石墨烯中，四聲子散射成為主導的散射通道，而不是三聲子散射。”
圖1. 石墨烯中的聲子自能
發現這一現象的一個障礙是原始計算能力的可用性。計算這種四聲子散射需要一種并行計算策略，基本上使用了一臺具有一太字節內存的計算集群。
目前，這些計算都是理論的。以前對石墨烯的測量存在較大的誤差，需要減小以驗證他們的理論。他們還計劃預測由多層原子組成的石墨烯的導熱性，而不僅僅是一層。
“石墨烯作為第一個二維材料，許多人認為它是一種魔法，人們相信它具有卓越的熱、力學、光學、電學性質。作為熱傳導研究者，我們的工作是確認這一部分是否屬實。石墨烯仍然是良好的導熱體，但我們的工作預測它的熱導率不如金剛石好。”
圖2. 室溫下石墨烯熱導率的收斂
圖3. 光譜和模式貢獻
圖4. 石墨烯的導熱率與溫度的函數關系
結論
研究人員通過從第一原理考慮四聲子散射、聲子重整化、聲子玻爾茲曼傳輸方程（BTE）的精確解以及足夠密集的采樣網格來預測熱導率。在室溫下，熱導率在10微米的系統尺寸處飽和，并趨于1300 W/(mK)，低于金剛石的熱導率。這表明四聲子散射總體上對總熱阻的貢獻為57%，成為主導的聲子散射機制，超過了三聲子散射。相反，僅考慮三聲子散射會產生高于金剛石的值，并因撓曲聲子的守恒動量正常過程而隨尺寸增大而發散。
原文：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.L121412
（中國粉體網編輯整理/長蘇）
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