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黑磷-导热系数三维各向异性的起源

 二维材料,特别是石墨烯(graphene),由于其自身天然的优异性能,引起了科学家们极大的研究热情。但是,由于其没有电子轨道能隙,石墨烯不能作为半导体材料与传统的硅基器件集成。近年来,更多新型的二维材料作为石墨烯的延伸被科学家们所预言甚至被成功合成,如二硫化钼(MoS2),氮化硼(BN),黑磷(Black Phosphorus)等等。据全国纳标委低维纳米结构与性能工作组副主任丁荣介绍,黑磷的发现,由于其本身存在能隙,可作为可调的半导体,其能够很好地解决石墨烯存在的问题,在下一代纳米电子器件,光电器件,及太阳能等众多尖端科技及工业领域有着极大的应用前景。为此,研究黑磷本身的物理学特性对于设计功能器件具有重要的指导意义。更有趣的是,最近国际上有诸多科研团队从理论预言,黑磷的电导和热导具有反相关性,而且依赖其晶体结构,具有三维各向异性的热物理性质。但是到目前为止,由于大块具有完美晶格结构的黑磷晶体难以制备,黑磷表面很高的活性易与水结合,以及相关高精度三维热物性测量方法的缺失,实验上关于黑磷各向异性热导的准确测量一直存在争议。

    近期,美国明尼苏达大学机械工程系Xiaojia Wang教授领导的研究团队,首先通过在高温真空石英管炉中混合加热红磷以及催化剂(锡和四碘化锡)制备了高质量的黑磷单晶(通过与纽约州立大学石溪分校的Xu Du教授以及明尼苏达大学的Steven Campbell教授合作),然后采用了一种新型的超快时间分辨的磁光科尔效应(TR-MOKE),并巧妙地利用28 纳米厚的稀有元素合金材料(TbFe)作为光磁热的传感层,精确地测量了黑磷晶体的各向异性热导。研究人员首先通过机械剥离,获得了具有完美表面结构的高质量黑磷晶体,然后迅速放入超高真空磁控溅射系统,在表面进行了原位的离子束清洁处理后,直接沉积TbFe薄膜。沉积的TbFe薄膜对黑磷晶体表面也起到很好的保护作用,其避免了表面污染对后续热导测量的影响。TR-MOKE作为一个传统的电子自旋信息测量方法,近一年之内刚被热物理学研究领域发现其可以被用于完成高精度热物性的测量,是原有的时域分辨热反射方法(TDTR)的升级改进版本。在本工作中,研究人员利用TR-MOKE超快时域分辨(<1 ps)的属性,首先用其来测量了黑磷晶体的垂直晶面方向热导率(4.3-5.5 W m-1 K-1)。再通过结合光束离位法(beam-offset),实现对样品表面的二维TR-MOKE信号空间扫描,分别获得了黑磷晶体沿着面内锯齿形方向以及面内扶手椅形方向的热导率 (84-101 W m-1 K-1; 26-36 W m-1 K-1)。同时通过基于Peierls-Boltzmann输运方程的第一性原理计算(通过与科罗拉多大学博尔德分校的Ronggui Yang教授以及Xiaokun Gu博士的合作),对黑磷晶体三个晶向的热导值进行了定量的计算。计算表明,理论值很好地符合实验测量值。黑磷晶体各向异性的热传导值主要由(1)其结构不对称性所引入的沿晶向分布的波群速度以及(2)所施加的温度梯度的方向所引起的声子(晶格振动)弛豫时间的变化。

黑磷各向异性热导的精确测量,对于进一步制备高性能的纳米电子器件,光电器件,晶体管等领域都有着重要的指导意义。相关工作已在线发表于Advanced Electronics Materials (DOI:10.1002/aelm.201600040)。并于当期被选作封面做重点研究介绍。

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