中国粉体网讯 石墨烯，一种由碳原子组成的单层材料，被许多人誉为材料科学的“下一个大事件”。但根据普渡大学的研究人员称，它的热性能可能并非如先前所认为的那样具有革命性。
石墨烯是人类创造的第一个二维材料，厚度只有一个原子。在2004年被首次发现，2010年获得诺贝尔物理学奖。自那时起，由于其独特的性质，一直受到许多研究人员的关注。例如，据说石墨烯在科学界已知的所有材料中都具有最高的导电性能，并以其材料强度而闻名，并最佳导热体的称号。
“以前，人们认为导热系数最高的材料是金刚石，也就是以最快速度传递最多热量的材料。但是当石墨烯出现时，主流研究表明它比金刚石好得多。”
热导率以瓦特每米每开尔文（W/(m·K)）为单位进行测量。在这个尺度上，金刚石的热导率约为2000。但当科学家开始测量石墨烯的热导率时，早期估计达到了5000以上。在随后的实验测量和建模对石墨烯的热导率进行了精细调整，最近的研究将这一数字调整到约3000，仍然比金刚石好得多。
但普渡大学的研究人员发现了完全不同的东西。机械工程学院的Xiulin Ruan教授及其团队预测在室温下石墨烯的热导率为1300W/(m·K)——不仅低于金刚石，而且低于制成石墨烯的生石墨材料。相关研究成果以“Thermal conductivity of monolayer graphene: Convergent and lower than diamond”为题，发表于《Physical Review B》。
图源：Physical Review B
他们的工作与之前的工作之间的差异归结为一种称为四声子散射的现象。声子是热传导科学家用于描述固体中热量运动的量子机械水平上的方式。直到最近，研究人员只能通过理解三声子散射来预测固体中的热传导。但在2016年，Ruan的团队提出了四声子散射的一般理论，并在一年后成功量化了四声子散射。
那么，这与石墨烯有什么关系呢？
“石墨烯是一种只有一个原子厚的二维材料，先前的研究表明，三声子散射会受到这种二维性的限制，理论上使得石墨烯的导热性比体材料要好得多。但是四声子散射不受石墨烯的二维性限制，而且效应非常强烈。我们的工作表明，在石墨烯中，四声子散射成为主导的散射通道，而不是三声子散射。”
图1. 石墨烯中的声子自能
发现这一现象的一个障碍是原始计算能力的可用性。计算这种四声子散射需要一种并行计算策略，基本上使用了一台具有一太字节内存的计算集群。
目前，这些计算都是理论的。以前对石墨烯的测量存在较大的误差，需要减小以验证他们的理论。他们还计划预测由多层原子组成的石墨烯的导热性，而不仅仅是一层。
“石墨烯作为第一个二维材料，许多人认为它是一种魔法，人们相信它具有卓越的热、力学、光学、电学性质。作为热传导研究者，我们的工作是确认这一部分是否属实。石墨烯仍然是良好的导热体，但我们的工作预测它的热导率不如金刚石好。”
图2. 室温下石墨烯热导率的收敛
图3. 光谱和模式贡献
图4. 石墨烯的导热率与温度的函数关系
结论
研究人员通过从第一原理考虑四声子散射、声子重整化、声子玻尔兹曼传输方程（BTE）的精确解以及足够密集的采样网格来预测热导率。在室温下，热导率在10微米的系统尺寸处饱和，并趋于1300 W/(mK)，低于金刚石的热导率。这表明四声子散射总体上对总热阻的贡献为57%，成为主导的声子散射机制，超过了三声子散射。相反，仅考虑三声子散射会产生高于金刚石的值，并因挠曲声子的守恒动量正常过程而随尺寸增大而发散。
原文：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.L121412
（中国粉体网编辑整理/长苏）
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