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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(dòng)力學(xué)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(xiàn)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(jié)構(gòu)、聲子譜、格林埃森常數(shù)、熱膨脹、以及力學(xué)性能的熱效應(yīng)，系統(tǒng)深入地揭示了二維材料晶格動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)性能的幾個(gè)重要機(jī)理。總結(jié)成如下三點(diǎn)總結(jié)，希望能對廣大相關(guān)研究人員有稍許的參考作用。具體結(jié)果和物理都可以在下面參考文獻(xiàn)列表里找到，其中文獻(xiàn)[4,5]應(yīng)該包含了最細(xì)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(gè)小程序（Sort_Phon.x），它不僅廣泛用到我們的各個(gè)工作當(dāng)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(guān)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(gè)方面能再指點(diǎn)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(zhì)量效應(yīng) 原子質(zhì)量對聲子譜影響較大（同位素效應(yīng)），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(zhì)（比如，熱膨脹和力學(xué)性能的熱效應(yīng)）影響較小，往往可以忽略。 (2)結(jié)構(gòu)效應(yīng) (i) 低維效果： 二維材料里面，會有類似連續(xù)薄膜波動(dòng)的振動(dòng)模式，叫做 flexural vibrational mode 或 bending mode。常規(guī)長波長聲子模式的色散關(guān)系是線性的（即，聲速是常數(shù)），但是長波長的 bending mode 的色散關(guān)系是拋物線關(guān)系（原因：回復(fù)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(shí)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(fù)的熱膨脹會導(dǎo)致材料力學(xué)性能出現(xiàn)熱硬化現(xiàn)象，但在高溫下會因?yàn)槁曌拥拇罅考ぐl(fā)而出現(xiàn)常規(guī)的熱軟化現(xiàn)象。 (ii) 厚度機(jī)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(fù)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(gè)常識就是：厚度越大，材料熱力學(xué)性能越靠近三維材料，而我們的工作很好地揭示了這個(gè)常識背后的根本機(jī)理。不過即使未來其它材料上出現(xiàn)反�，F(xiàn)象，我們的機(jī)理還是可以應(yīng)用的。 (3)化學(xué)鍵強(qiáng)度效應(yīng) 二維材料多數(shù)是共價(jià)化合物，其原子鍵的強(qiáng)度通常由共價(jià)性和離子性之間的競爭來決定。在任何一個(gè)材料的一個(gè)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(dòng)對格林埃森常數(shù)和熱膨脹會有負(fù)的作用，機(jī)理和上述的membrane effect是一樣的，而拉伸振動(dòng)是起正的作用。當(dāng)原子鍵強(qiáng)度不夠高的時(shí)候，拉伸振動(dòng)的正效果有時(shí)候會被彎曲振動(dòng)的負(fù)效果給超過，反之亦反。這個(gè)機(jī)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(fù)的Gruneisen constant，及其低溫下negative thermal expansion，皆因?yàn)樵渔I強(qiáng)度較弱導(dǎo)致，而Diamond、graphite、graphene里的LA只有正的Gruneisen constant，因?yàn)镃-C鍵是超強(qiáng)的。對比不同transition-metal dichalcogenides的Gruneisen constants，原子鍵強(qiáng)度的機(jī)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(fù)和大小之外，原子鍵強(qiáng)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(dòng)改變尺寸（常識）�？偟膩碚f，原子鍵強(qiáng)度通過Gruneisen constant和熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)是一種非簡諧效應(yīng)(anharmonic effect)，不僅決定大小，也決定正負(fù)；而通過彈性常數(shù)和熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)卻是一種簡諧效應(yīng)(harmonic effect)，只影響數(shù)值大小。 |
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