【科研进展】SnSe2扭转莫尔超晶格的低热导率

摘要：

二维（2D）材料由于其新奇的物理特性，在热管理方面具有显著优势。在层状2D材料中引入旋转自由度形成莫尔超晶格，能够精确调控材料属性，包括电子带隙和声子散射机制。尽管模拟已经证明，扭转的多层莫尔结构可以通过增强散射和声子局域化显著降低热导率，但由于多层超晶格的合成存在挑战，实验进展受限。本研究报告了使用可扩展的化学气相沉积方法，原位合成了具有扭曲多层莫尔结构的SnSe2纳米片。这些超晶格展现出多个莫尔周期，与常规多层结构相比，由于增强的声子散射、晶格失配和局域化声子，热导率显著降低。这项工作确立了多层莫尔超晶格作为一个有前景且可扩展的平台，用于工程化低热导率的二维材料，适用于先进的能源和电子应用。

图文导读

本研究采用非稳态化学气相沉积 (CVD) 方法，在SnSe2的生长过程中引入了非稳态的气流和温度梯度。这种非稳态条件导致堆垛层错的形成，使得原子层之间发生相对位移。通过控制反应条件，可以调节堆垛层错的数量和类型，从而形成具有不同扭转角度和莫尔周期数的扭曲多层莫尔超晶格结构。

图2展示了SnSe2纳米片的表面形貌和对称性破缺特征，并通过原子力显微镜（AFM）和二次谐波谱（SHG）进行了表征。AFM形貌图显示，扭转多层纳米片在中心区域呈现出螺旋错配生长的特征，而常规结构则厚度均匀，没有明显的错配生长。SHG光谱和图像进一步揭示了扭转多层结构的对称性破缺特征，原子错配区域SHG强度显著增强，边缘和中心区域则强度较弱且分布均匀。SHG极图显示，扭转多层结构在六个方向上呈现峰值，其中一个方向的强度明显增强，这与3R结构特征相符。相比之下，常规结构的SHG强度较弱且分布更加均匀，其SHG极图也呈现出不同的特征。这些结果表明，扭转多层结构具有独特的表面形貌和对称性破缺特征，并通过SHG光谱得到了证实。

透射电子显微镜 (TEM) 成像展示了扭曲多层SnSe2纳米片的莫尔超晶格结构。TEM图像显示，在较大的空间范围内（数十纳米），原子排列呈现出莫尔超晶格的特征。莫尔图案中心区域的原子排列相对有序，而边缘区域则较为无序。傅立叶分析（FFT）结果进一步证实了莫尔超晶格结构的存在，并揭示了其具有多个对称性特征。放大后的TEM图像清晰地展示了摩尔超晶格单元的边缘呈近圆形，表明其具有较高的旋转对称性。此外，TEM图像还揭示了扭曲多层结构具有不同的摩尔周期，包括约为1 nm、3.5 nm和3.6 nm的摩尔周期。这些结果表明，CVD方法成功地合成了具有不同摩尔周期的扭曲多层SnSe2超晶格结构。

采用光热拉曼法对扭转多层和常规SnSe2纳米片的热导率进行了表征。拉曼光谱的温度依赖性分析揭示了拉曼峰位置与温度之间的关系，并通过拟合得到了拉曼峰位置的温度系数。吸收功率依赖性分析揭示了拉曼峰位置与吸收功率之间的关系，并通过拟合得到了拉曼峰位置对吸收功率的斜率。根据拉曼峰位置的温度系数和斜率，结合SnSe2的吸收率数据，可以计算出SnSe2纳米片的热导率。结果表明，扭转多层结构的热导率比常规结构低约50%，并且随着扭转多层纳米片厚度的增加，其热导率进一步降低。这表明扭转多层结构有效地降低了SnSe2的热导率，并且其热导率的变化不受厚度限制。

结构模拟显示，扭转多层结构具有复杂的摩尔图案，呈现出Penrose tiling-like的结构，这导致了声子散射通道的增加和声子传输模式的改变。与扭转少层或常规结构相比，扭转多层结构具有更多的层间界面，显著增加了声子散射。层间扭转角度引起的晶格失配导致层间解耦，抑制了层间声子耦合，从而降低了热导率。摩尔超晶格结构改变了声子传输模式，周期性散射类似于布里渊区边界，导致低频声子发生布里渊区折叠，抑制了长波长声子的贡献，从而降低了热导率。此外，扭转多层结构还增加了晶格热导率公式中的Grüneisen系数，并改变了Debye温度，进一步降低了热导率。

对扭转多层结构降低热导率的机制分析：

1. 声子散射增加：扭转多层结构内部存在大量的层间界面，导致热声子在传输过程中发生更多的散射。与扭转少层或常规结构相比，扭转多层结构具有更多的层间界面，因此声子散射更为显著。

2. 声子传输模式改变：摩尔超晶格结构导致声子传输模式发生改变。周期性散射类似于布里渊区边界，导致低频声子发生布里渊区折叠，抑制了长波长声子的贡献，从而降低了热导率。

3. 晶格失配和解耦：层间扭转角度引起的晶格失配导致层间解耦，抑制了层间声子耦合，从而降低了热导率。

4. Grüneisen系数和Debye温度变化：扭转多层结构增加了晶格热导率公式中的Grüneisen参数，并改变了Debye温度，进一步降低了热导率。

总结

本文研究了SnSe2二维材料的摩尔超晶格结构对其热导率的影响。通过非稳态化学气相沉积法，成功合成了具有扭转多层摩尔超晶格结构的SnSe2纳米片。与普通多层结构相比，这些莫尔超晶格结构的热导率显著降低，主要归因于增强的声子散射、晶格失配和局域化声子。这项工作为设计低热导率的二维材料提供了新的思路，并为其在能源和电子应用中的发展奠定了基础。

作者简介

编辑｜段 福清