信息来源：秦光照教授课题组，供稿
陈强
00摘要通常高热导率只存在于原胞原子数较少的简单晶体中，如金刚石、砷化硼、石墨烯等。然而，具有复杂结构的三种碳同素异构体C32、C36和C94，其热导率却分别高达.75、.70和.64W/mK，这种现象补充了传统的认识，对晶格热输运研究做出了扩展和延伸。01引言在高速信息化时代，5G及其更多的移动通信对电子器件的小型化、低功耗、高能效提出了迫切的要求。电子器件的高集成度和高能量效率变得越来越重要，热管理问题已逐渐成为制约其进一步发展的重要因素。因此，寻找超高导热材料，以利于电子器件的高效散热、高性能工作和稳定变得非常迫切。碳是一种含有大量同素异形体的重要元素。例如，碳原子可以形成零维(0D)富勒烯、一维(1D)纳米管、二维(2D)石墨烯、三维(3D)金刚石等。它们可以用作绝缘体、半导体、半金属、金属，甚至超导体，这些材料在许多领域都得到了广泛的研究和应用。在电子器件的散热方面，一维的碳纳米管(CNTs)具有很高的轴向热导率，有望作为大功率电子器件的散热材料。二维的石墨烯薄膜是散热方案的最佳材料，已被广泛应用于需要高性能散热的中央处理器(CPU)中，特别是消费电子行业，如华为手机、小米手机等。此外，三维的金刚石可用于高功率发光二极管(LED)器件或用作涂层材料，以降低界面热阻。这些应用显示碳基材料在高性能热管理中有着巨大的应用价值。传统上人们认为超高的热导率只存在于原胞原子数较少的简单晶体中，如金刚石(.35W/mK)、砷化硼(W/mK)等，这为探索应用于先进热管理的更多可能的高导热材料带来了诸多限制。02成果简介近日，湖南大学的陈强（第一作者）、湘潭大学的张培（共同第一作者）、湘潭大学的欧阳滔（共同通讯作者）、大连理工大学的张晓亮（共同通讯作者）和湖南大学的秦光照（共同通讯作者）基于第一性原理计算，探索研究了具有复杂结构的三种碳同素异形体（C32、C36、C94）的热输运性质。结果表明，这三种碳基块体材料虽然原胞中原子数目巨大，晶格结构复杂，但其导热性能可与金刚石和砷化硼相媲美，其晶格热导率在不同方向的平均值分别为（C32）.75、（C36）.70和（C94）.64W/mK。同时，采用多种方法对结果进行了验证，发现即使包括了所有可能的高阶散射之后，C32的热导率与求解声子玻尔兹曼输运方程得到的结果仍然吻合较好。分析表明，C32、C36、C94的超高热导率在于多种因素的共同作用，而其中最重要的为其中相对较弱的声子非简谐性导致的弱声子-声子散射。该工作揭示了复杂结构碳基材料的超高热导率，补充了传统上超高热导率仅存在于简单晶体中的认识，为增强散热和有效改善电子器件性能提供了更多可能的碳基候选材料，同时进一步加深了对晶格热输运性质的理解，将有助于未来高导热材料的设计和开发。该工作于近日以FrontCover在线发表于国际知名SCI期刊Phys.Chem.Chem.Phys.()DOI:10./D1CPK.03图文导读图1.统计研究表明，随着原胞中原子数目的增加，热导率的上限呈下降趋势。图2.Diamond、C32、C36和C94的结构图和声子谱。四种结构的声子谱均没有虚频，表明了其热力学的稳定性。其中，Diamond、C36和C94不存在带隙，而C32有一个光学支的振动频率异常高。同时随着原胞原子数量的增加，这四种结构的声子分支也变得更加平坦。图3.对比分析不同方法计算得到的热导率。在基于第一性原理计算求解声子玻尔兹曼输运方程的方法之外，为了进一步验证结果的准确性，我们采用声子谱能密度方法（SED）与第一性原理分子动力学（AIMD）模拟相结合的方法来计算热导率。通过拟合得到C32的热导率为±W/mK。结果表明，采用不同的方法，特别是包括了可能的高阶散射之后，热导率与基于第一性原理计算求解声子玻尔兹曼输运方程得到的结果（W/mK）吻合较好。图4.Diamond、C32、C36和C94的模式分析对比。从四种材料的声子热输运分析发现，复杂结构C32、C36和C94能维持如此高热导率的主要原因在于其超高的群速度以及相对较弱的晶格非简谐性，补偿了由于结构复杂而产生的大散射相空间。图5.Diamond、C32、C36和C94电子结构分析。势阱结果显示C32的非简谐性最弱，结果与声子的非简谐性和热导率的行为一致。同时发现，与金刚石中的电子结构相似，在C32,C36和C94中，电子都集中在C-C键周围，这意味着碳原子之间的强键态。此外，这三种复杂结构的sp3轨道杂化整体行为与金刚石相似，导致原子致密堆积，形成高对称性的碳环。因此，相似的群速度和超高的热导率可以预期从相似的电子结构获得。参考文献QiangChen?,PeiZhang?,TaoOuyang*,XiaoliangZhang*,andGuangzhaoQin*.Ultra-highthermalconductivitiesoftetrahedralcarbonallotropeswithnon-simplestructures.Phys.Chem.Chem.Phys.()DOI:10./D1CPK.04湖南大学秦光照教授课题组诚聘博士后平台情况湖南大学机械与运载工程学院，和湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，同时有国家超级计算长沙中心（湖大负责全面运营）的支持；湖大机械工程为国家“一流学科”，工程科学入选ESI前千分之一。实验室依山傍水，位于国家5A级风景区岳麓山下、湘江之滨（5分钟直达江边散步绿道）。长沙物价低，生活压力小，是中国最具幸福感城市和全国房价最低的省会城市之一。课题组与国内外多个一流的科研单位有长期稳定的合作关系，为团队成员的长远职业发展，包括出国交流等各方面，提供最大的指导和帮助。我们的研究方向为国际前沿，国家战略发展规划中的重点领域，湖南大学大力支持发展的新兴交叉前沿学科方向，易出重大成果。合作导师秦光照，男，出生于年11月，河南开封人。任职于湖南大学机械与运载工程学院和汽车车身先进设计制造国家重点实验室，教授，博士生导师，湖南省海外高层次人才，岳麓学者，国家自然科学基金委评议人，国家留学基金委建设高水平大学公派研究生项目及中外合作项目评审专家。曾先后在郑州大学、中国科学院、德国亚琛工业大学和美国南卡罗莱纳大学从事科研工作。曾获德国亚琛工业大学最佳博士论文奖（拉丁文最高荣誉学位SUMMACUMLAUDE），及国家留学基金委授予的年度国家优秀自费留学生奖学金。主持中国国家自然科学基金项目（NSFC）、长沙市自然科学基金、美国博士后创新项目、德国JARA高性能计算项目等。担任《PhysicalReviewLetters》在内等多个知名国际期刊的特约审稿人，并获杰出审稿人奖。主要从事微纳传热及先进热管理技术方面的研究工作。共计合作出版发表学术专著2部，2个软件著作权，高水平SCI论文60余篇，论文总被引+次，H因子20。更多详细信息请见个人主页：
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