《AEM》：T-石墨烯、联苯和净石墨烯中的超高电子导热性

巴克明斯特富勒烯（C₆₀）分子的发现另人类可以合成了其他碳同素异形体，包括碳纳米管和石墨烯。虽然它们的结构以六元周期性碳环的存在为主，但也有非六元碳环结构。例如，C₆₀结构承载12个五边形，它们负责富勒烯的高斯曲率。在碳纳米管和石墨烯中，四元，五元，七元和八元环被作为扩展和机械诱导五-五-七-七和四-四-八-八缺陷，以及化学气相沉积生长诱导的晶界。曲率的产生可以通过将这些环视为其他完美六角形结构（圆柱形或扁平）中边缘位错的核心来理解。由于石墨烯的极低弯曲刚度和极高的面内刚度，面外尺寸的延伸成为放松核心应变并使刚性C-C键更接近其优选平衡值的有效方法。

来自深圳巨浪计算科学与应用研究所、明尼苏达大学和不来梅大学的学者进行了全面的从头开始计算，以比较原始石墨烯的声子和电子基传导与T-石墨烯、联亚苯基和净石墨烯碳同素异形体的传导。有一种既定的观点认为，二维碳材料中的热传递主要是基于声子的，并且只有在n掺杂下，可忽略不计的电子基传导才会变得重要。与此概念相反，在这里本文发现，在具有非六边形环的2D碳同素异形体中，通过考虑电子 – 声子（el-ph）散射计算的电子热导率（κ_e）是最重要的。大κ_e补偿了κ_ph的下降，这里计算的不仅是三声子（3ph），还包括四声子（4ph）和声子-电子（pe）散射。后一种贡献被其他方法所忽视，但最近它被证明会引起石墨烯， MoO₃，和BeN₄中κ_ph的强抑制。相关文章以“Ultrahigh Electron Thermal Conductivity in T-Graphene, Biphenylene, and Net-Graphene”标题发表在Advanced Energy Materials。

论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202200657

图1. a） 石墨烯、叔石墨烯、联苯和净石墨烯的晶体结构计算。颜色代码显示键的长度。晶胞用黑线表示。ΔE是相对于石墨烯测量的总能量。b）计算的κ_total = κ_ph + κ_evs. T。c） T=300 K时单层2D材料的热导率。

图2.a） κ_ph和κ_e与T的关系，b）谐波声子色散，以及c）石墨烯、T-石墨烯、联苯和净石墨烯的DFT计算和Wannier插值得出的电子能带结构。

图3. 比较石墨烯、T-石墨烯、联苯和净石墨烯在费米水平上的a）κ_e与T、（b）σ与T，c）电子弛豫时间，以及d）费米速度和电子DOS。

图4. a）T = 300 K时κ^3ph_ph和κ^{3 + 4ph}_ph的比较，b）T = 300 K时的体积热容量，c）声子群速度，d）正常和Umklapp过程的声子散射速率以及T = 300 K时由于3相散射引起的寿命衰减，e）声子DOS，f）Grüneisen参数，g）3ph和4ph散射事件的相空间， h）100个最大的第三和第四IFC基体元素的强度。i）石墨烯，T-石墨烯，联苯和净石墨烯的ELF。

图5. a）所有声学模式和ZO模式对κ_ph的归一化贡献归因于3ph，3 + 4ph和3 + 4ph + pe相互作用，其中插入是相对于声子频率ω。b，c）3ph，4ph和pe散射的所有声学模式的累积κph，以及d）Eliashberg光谱函数α²_tr F和传输el-ph的耦合强度λ_tr在T = 300 K下石墨烯。

总之，利用玻尔兹曼输运方程形式主义结合密度泛函理论计算，本文发现了具有电子基和声子热传导的二维碳同素异形体。虽然电子基热传导在石墨烯中很小，但在具有非六角形环的2D碳同素异形体中却是超高的。基于声子的传导仍然很重要，尽管应变和晶格对称性变化引起的C-C键合变化引起的非谐波效应使效果恶化。基于电子的传导补偿了κ_ph的降低，并使T-石墨烯，联亚苯基和净石墨烯的κ总数接近石墨烯、h-BN和MoS₂，它们均表现出基于声子的热传导。其他理论上预测的2D碳同素异形体，如五石墨烯、α石墨烯、g石墨烯、Ψ石墨烯和pop-graphene，它们均显示出金属特性，因此可以获得T-石墨烯、联亚苯基和净石墨烯的令人印象深刻的属性。2D碳同素异形体可能有助于实现下一代技术，该技术需要纳米结构，能够通过电子扩散和声子振动的组合来传递热能。（文：SSC）