二维层状材料的热学性质

搁浅

《二维层状材料：热管理与能源转换的超级新星》（doi：10.1002/adfm.201604134）

在科技飞速发展的今天，电子设备、能源系统等领域的性能提升面临着一个共同的瓶颈——热管理。无论是高速运行的芯片，还是高效的能源转换装置，都需要精准地控制热量的传递与分布。而近年来，一种名为二维层状材料（2DLMs）的神奇材料，以其独特的热学性能，为解决这一难题带来了新的曙光。

Figure 1. Schematic of 2DLMs: a) graphene, b) h-BN, c) SnSe, d) black phosphorous, e) MoS2, f) Bi2Te3.

一、神奇的二维层状材料

二维层状材料是一类具有特殊结构的材料，它们由单层或多层原子构成，层内原子通过强共价键结合，而层与层之间则通过较弱的范德华力相互作用。这种独特的结构赋予了它们诸多优异的性能，其中热学性能尤为引人注目。从石墨烯到黑磷，从过渡金属二硫化物到拓扑绝缘体，这些材料家族的成员们各具特色，为热管理与能源转换领域带来了无限可能。

二、热学性能的奥秘

二维层状材料的热学性能呈现出许多独特之处。以石墨烯为例，这种单层碳原子构成的材料，具有极高的平面内热导率，能够快速地将热量沿着平面方向传导出去，有效降低局部温度。而当层数增加时，其热导率又会呈现出一定的变化趋势，这种层数依赖性为精准调控热传输提供了可能。除了石墨烯，其他二维层状材料如六方氮化硼（h-BN）、二硫化钼（MoS₂）等也各有千秋。h-BN具有良好的电绝缘性和较高的热导率，可作为高性能电子器件中的散热材料和绝缘基底；MoS₂则因其独特的电子结构和适中的热导率，在热电能量转换领域展现出巨大潜力。这些材料的热学性能不仅与自身的晶体结构密切相关，还受到层数、尺寸、缺陷等多种因素的综合影响，使得它们在不同应用场景中能够发挥出多样化的作用。

Figure 2. Thermal conductivity of MoS2.

三、测量技术的挑战与突破

要深入探究二维层状材料的热学性能，精确的测量技术是关键。然而，由于这些材料的超薄特性以及与基底之间的复杂相互作用，传统的热导率测量方法往往难以直接应用。近年来，科学家们不断探索和创新，发展出了一系列适用于二维层状材料的热测量技术。其中，悬浮微桥法和光热拉曼技术是两种较为常用且具有代表性的方法。悬浮微桥法通过构建特殊的微纳结构，将二维材料样品置于两个悬空的微桥之间，利用焦耳热产生温度差，并通过精确测量温度变化和热量传递来计算热导率。这种方法不仅可以测量平面内热导率，还能同时获取热电参数，为全面评估材料的热电性能提供了有力工具。光热拉曼技术则是一种非接触式的测量方法，它利用激光照射样品产生局部温度升高，通过分析拉曼光谱特征峰的位移与温度的关系，间接推导出样品的热导率。这种技术具有操作简便、对样品损伤小等优点，尤其适用于测量那些难以制备成微纳结构的二维材料。尽管如此，这些测量技术仍存在一些局限性，如悬浮微桥法中样品转移过程可能导致污染和结构损伤，光热拉曼技术中对激光吸收系数和温度依赖性的精确测量存在一定误差等。为了克服这些挑战，研究人员正在不断改进现有技术，并探索新的测量方法，如将电子束作为加热源引入微桥法，有望实现对样品本征热导率和热接触电阻的同步精确测量，为二维层状材料热学性能的研究提供更加准确可靠的数据支持。

Figure 3. Schematic of thermal conductivity measurement technique for 2DLMs. a) Schematic set-up of the micro-bridge method consists of heating and sensing membranes (up) and corresponding thermal resistance circuit (bottom). b) Optothermal Raman technique with laser focused on the suspended sample. The red arrow represents the heat flow.

四、能源转换与热管理的应用前景

二维层状材料在能源转换和热管理领域的应用前景令人振奋。在热电能量转换方面，这些材料的层依赖性和各向异性热导率特性，为优化热电性能提供了独特优势。例如，通过合理设计二维层状材料的层数和结构，可以在保持较高电导率的同时，降低热导率，从而提高热电优值（ZT值），实现更高效的热电能量转换。这使得二维层状材料有望在废热回收、可穿戴能源设备等众多领域大放异彩，为能源的可持续利用开辟新路径。在热管理方面，二维层状材料同样展现出巨大潜力。高热导率的石墨烯和 h-BN 等材料，可作为优异的热界面材料，用于改善电子器件中不同材料界面之间的热接触，提高热量传递效率，有效降低芯片等关键部件的工作温度，保障电子设备的稳定运行和性能发挥。此外，这些材料还可以与其他材料复合，构建出具有特殊热学性能的复合结构，如在相变材料中引入二维层状材料，可显著提高其热导率，增强相变材料在热能存储和释放过程中的性能，为开发高性能的热管理材料和系统提供了新的思路和方法。

Figure 4. Temperature-dependent thermal conductivity of few layer h-BN.

（注：本文基于期刊论文内容整理，旨在介绍研究成果，不涉及任何商业用途。）