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lfhuang木蟲 (著名寫手)
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塵埃落定：二維材料晶格動力學原理之建立 已有10人參與
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（ 更多詳情請和參考文獻查看：http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=345795&do=blog&quickforward=1&id=910663 ） 最近幾年，我們系統(tǒng)研究了graphene, functionalized graphene (e.g., hydrogenation, fluorination, and chlorination), pristine/hydrogenated silicene, pristine/hydrogenated germanene, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, and WTe2 這些二維材料的電子結構、聲子譜、格林埃森常數(shù)、熱膨脹、以及力學性能的熱效應，系統(tǒng)深入地揭示了二維材料晶格動力學和熱力學性能的幾個重要機理�？偨Y成如下三點總結，希望能對廣大相關研究人員有稍許的參考作用。具體結果和物理都可以在下面參考文獻列表里找到，其中文獻[4,5]應該包含了最細致的數(shù)據(jù)分析和較到位的物理描述。為了分析聲子譜，我們還專門寫了一個小程序（Sort_Phon.x），它不僅廣泛用到我們的各個工作當中去，而且也已經(jīng)被許多國內(nèi)外（除南極洲、北冰洋以外）的同行所關注和使用，也收到不少感謝信。在此拋磚引玉，如果有行家在任何一個方面能再指點一二，或拍拍磚，對我們將來的工作都會有所裨益，我都將感激不盡。 (1)質量效應 原子質量對聲子譜影響較大（同位素效應），對材料比熱、自由能等影響也較大，但是，對二維體系的非簡諧性質（比如，熱膨脹和力學性能的熱效應）影響較小，往往可以忽略。 (2)結構效應 (i) 低維效果： 二維材料里面，會有類似連續(xù)薄膜波動的振動模式，叫做 flexural vibrational mode 或 bending mode。常規(guī)長波長聲子模式的色散關系是線性的（即，聲速是常數(shù)），但是長波長的 bending mode 的色散關系是拋物線關系（原因：回復力和原子鍵相對方向垂直或接近垂直）。這種 bending vibration 的存在，是二維材料intrinsic ripples, negative Gruneisen constant, 和negative thermal expansion的根本原因，其實也是一些三維材料里出現(xiàn)negative thermal expansion的原因。這通常叫做membrane effect或這guitar-string analogy。負的熱膨脹會導致材料力學性能出現(xiàn)熱硬化現(xiàn)象，但在高溫下會因為聲子的大量激發(fā)而出現(xiàn)常規(guī)的熱軟化現(xiàn)象。 (ii) 厚度機理： 厚度的增加有兩種方式，一是通過不同層之間的堆疊（比如multilayer graphene），二是通過增加單層內(nèi)部的厚度（比如從graphene到functionalized graphene）。前者使得bending mode的回復力和inter-layer bonds方向一致，后者使得層內(nèi)部出現(xiàn)和垂直方向不正交的原子鍵，效果都是使得bending mode不再完全像連續(xù)薄膜里面的flexural mode了。所以，厚度無論通過哪種方式增加，二維材料里的bending mode都會損失一些二維特性，其Gruneisen constant和thermal-expansion coefficient都會更加接近三維材料。有個常識就是：厚度越大，材料熱力學性能越靠近三維材料，而我們的工作很好地揭示了這個常識背后的根本機理。不過即使未來其它材料上出現(xiàn)反�，F(xiàn)象，我們的機理還是可以應用的。 (3)化學鍵強度效應 二維材料多數(shù)是共價化合物，其原子鍵的強度通常由共價性和離子性之間的競爭來決定。在任何一個材料的一個聲子模式里，一般都包含了一些原子鍵的局部拉伸和彎曲。彎曲振動對格林埃森常數(shù)和熱膨脹會有負的作用，機理和上述的membrane effect是一樣的，而拉伸振動是起正的作用。當原子鍵強度不夠高的時候，拉伸振動的正效果有時候會被彎曲振動的負效果給超過，反之亦反。這個機理不限于二維材料，塊體Si,Ge, GaN等材料的LA模式出現(xiàn)較大負的Gruneisen constant，及其低溫下negative thermal expansion，皆因為原子鍵強度較弱導致，而Diamond、graphite、graphene里的LA只有正的Gruneisen constant，因為C-C鍵是超強的。對比不同transition-metal dichalcogenides的Gruneisen constants，原子鍵強度的機理會非常明顯。除了通過影響Gruneisen constant來影響熱膨脹系數(shù)的正負和大小之外，原子鍵強度還會通過彈性常數(shù)來影響熱膨脹系數(shù)的數(shù)值大小。彈性常數(shù)小的材料有容易膨脹的趨勢，即軟的東西更容易被任何擾動改變尺寸（常識）。總的來說，原子鍵強度通過Gruneisen constant和熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生關聯(lián)是一種非簡諧效應(anharmonic effect)，不僅決定大小，也決定正負；而通過彈性常數(shù)和熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生關聯(lián)卻是一種簡諧效應(harmonic effect)，只影響數(shù)值大小。 |
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