摘要：
二維（2D）材料由于其新奇的物理特性，在熱管理方面具有顯著優(yōu)勢。在層狀2D材料中引入旋轉(zhuǎn)自由度形成莫爾超晶格，能夠精確調(diào)控材料屬性，包括電子帶隙和聲子散射機制。盡管模擬已經(jīng)證明，扭轉(zhuǎn)的多層莫爾結(jié)構(gòu)可以通過增強散射和聲子局域化顯著降低熱導(dǎo)率，但由于多層超晶格的合成存在挑戰(zhàn)，實驗進展受限。本研究報告了使用可擴展的化學(xué)氣相沉積方法，原位合成了具有扭曲多層莫爾結(jié)構(gòu)的SnSe2納米片。這些超晶格展現(xiàn)出多個莫爾周期，與常規(guī)多層結(jié)構(gòu)相比，由于增強的聲子散射、晶格失配和局域化聲子，熱導(dǎo)率顯著降低。這項工作確立了多層莫爾超晶格作為一個有前景且可擴展的平臺，用于工程化低熱導(dǎo)率的二維材料，適用于先進的能源和電子應(yīng)用。
圖文導(dǎo)讀
本研究采用非穩(wěn)態(tài)化學(xué)氣相沉積 (CVD) 方法，在SnSe2的生長過程中引入了非穩(wěn)態(tài)的氣流和溫度梯度。這種非穩(wěn)態(tài)條件導(dǎo)致堆垛層錯的形成，使得原子層之間發(fā)生相對位移。通過控制反應(yīng)條件，可以調(diào)節(jié)堆垛層錯的數(shù)量和類型，從而形成具有不同扭轉(zhuǎn)角度和莫爾周期數(shù)的扭曲多層莫爾超晶格結(jié)構(gòu)。
圖2展示了SnSe2納米片的表面形貌和對稱性破缺特征，并通過原子力顯微鏡（AFM）和二次諧波譜（SHG）進行了表征。AFM形貌圖顯示，扭轉(zhuǎn)多層納米片在中心區(qū)域呈現(xiàn)出螺旋錯配生長的特征，而常規(guī)結(jié)構(gòu)則厚度均勻，沒有明顯的錯配生長。SHG光譜和圖像進一步揭示了扭轉(zhuǎn)多層結(jié)構(gòu)的對稱性破缺特征，原子錯配區(qū)域SHG強度顯著增強，邊緣和中心區(qū)域則強度較弱且分布均勻。SHG極圖顯示，扭轉(zhuǎn)多層結(jié)構(gòu)在六個方向上呈現(xiàn)峰值，其中一個方向的強度明顯增強，這與3R結(jié)構(gòu)特征相符。相比之下，常規(guī)結(jié)構(gòu)的SHG強度較弱且分布更加均勻，其SHG極圖也呈現(xiàn)出不同的特征。這些結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)多層結(jié)構(gòu)具有獨特的表面形貌和對稱性破缺特征，并通過SHG光譜得到了證實。
透射電子顯微鏡 (TEM) 成像展示了扭曲多層SnSe2納米片的莫爾超晶格結(jié)構(gòu)。TEM圖像顯示，在較大的空間范圍內(nèi)（數(shù)十納米），原子排列呈現(xiàn)出莫爾超晶格的特征。莫爾圖案中心區(qū)域的原子排列相對有序，而邊緣區(qū)域則較為無序。傅立葉分析（FFT）結(jié)果進一步證實了莫爾超晶格結(jié)構(gòu)的存在，并揭示了其具有多個對稱性特征。放大后的TEM圖像清晰地展示了摩爾超晶格單元的邊緣呈近圓形，表明其具有較高的旋轉(zhuǎn)對稱性。此外，TEM圖像還揭示了扭曲多層結(jié)構(gòu)具有不同的摩爾周期，包括約為1 nm、3.5 nm和3.6 nm的摩爾周期。這些結(jié)果表明，CVD方法成功地合成了具有不同摩爾周期的扭曲多層SnSe2超晶格結(jié)構(gòu)。
采用光熱拉曼法對扭轉(zhuǎn)多層和常規(guī)SnSe2納米片的熱導(dǎo)率進行了表征。拉曼光譜的溫度依賴性分析揭示了拉曼峰位置與溫度之間的關(guān)系，并通過擬合得到了拉曼峰位置的溫度系數(shù)。吸收功率依賴性分析揭示了拉曼峰位置與吸收功率之間的關(guān)系，并通過擬合得到了拉曼峰位置對吸收功率的斜率。根據(jù)拉曼峰位置的溫度系數(shù)和斜率，結(jié)合SnSe2的吸收率數(shù)據(jù)，可以計算出SnSe2納米片的熱導(dǎo)率。結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)多層結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率比常規(guī)結(jié)構(gòu)低約50%，并且隨著扭轉(zhuǎn)多層納米片厚度的增加，其熱導(dǎo)率進一步降低。這表明扭轉(zhuǎn)多層結(jié)構(gòu)有效地降低了SnSe2的熱導(dǎo)率，并且其熱導(dǎo)率的變化不受厚度限制。
結(jié)構(gòu)模擬顯示，扭轉(zhuǎn)多層結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的摩爾圖案，呈現(xiàn)出Penrose tiling-like的結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致了聲子散射通道的增加和聲子傳輸模式的改變。與扭轉(zhuǎn)少層或常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，扭轉(zhuǎn)多層結(jié)構(gòu)具有更多的層間界面，顯著增加了聲子散射。層間扭轉(zhuǎn)角度引起的晶格失配導(dǎo)致層間解耦，抑制了層間聲子耦合，從而降低了熱導(dǎo)率。摩爾超晶格結(jié)構(gòu)改變了聲子傳輸模式，周期性散射類似于布里淵區(qū)邊界，導(dǎo)致低頻聲子發(fā)生布里淵區(qū)折疊，抑制了長波長聲子的貢獻，從而降低了熱導(dǎo)率。此外，扭轉(zhuǎn)多層結(jié)構(gòu)還增加了晶格熱導(dǎo)率公式中的Grüneisen系數(shù)，并改變了Debye溫度，進一步降低了熱導(dǎo)率。
對扭轉(zhuǎn)多層結(jié)構(gòu)降低熱導(dǎo)率的機制分析：
1. 聲子散射增加：扭轉(zhuǎn)多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在大量的層間界面，導(dǎo)致熱聲子在傳輸過程中發(fā)生更多的散射。與扭轉(zhuǎn)少層或常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，扭轉(zhuǎn)多層結(jié)構(gòu)具有更多的層間界面，因此聲子散射更為顯著。
2. 聲子傳輸模式改變：摩爾超晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致聲子傳輸模式發(fā)生改變。周期性散射類似于布里淵區(qū)邊界，導(dǎo)致低頻聲子發(fā)生布里淵區(qū)折疊，抑制了長波長聲子的貢獻，從而降低了熱導(dǎo)率。
3. 晶格失配和解耦：層間扭轉(zhuǎn)角度引起的晶格失配導(dǎo)致層間解耦，抑制了層間聲子耦合，從而降低了熱導(dǎo)率。
4. Grüneisen系數(shù)和Debye溫度變化：扭轉(zhuǎn)多層結(jié)構(gòu)增加了晶格熱導(dǎo)率公式中的Grüneisen參數(shù)，并改變了Debye溫度，進一步降低了熱導(dǎo)率。
總結(jié)
本文研究了SnSe2二維材料的摩爾超晶格結(jié)構(gòu)對其熱導(dǎo)率的影響。通過非穩(wěn)態(tài)化學(xué)氣相沉積法，成功合成了具有扭轉(zhuǎn)多層摩爾超晶格結(jié)構(gòu)的SnSe2納米片。與普通多層結(jié)構(gòu)相比，這些莫爾超晶格結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率顯著降低，主要歸因于增強的聲子散射、晶格失配和局域化聲子。這項工作為設(shè)計低熱導(dǎo)率的二維材料提供了新的思路，并為其在能源和電子應(yīng)用中的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
作者簡介
編輯｜段 福清
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