课题组研究生在PRB期刊发表研究论文
近日，课题组研究生在Physical Review B期刊发表 “Large variation of electron-phonon coupling and thermal transport in two-dimensional semimetal triphosphides by modulation doping” 研究论文。
能源科技的高速发展和变革依赖于性能更优的结构化和功能化材料，其中，探索和理解极限热导率材料有助于更好地设计热功能器件。材料中两载流子（电子和声子）间的电声耦合作用影响着材料诸多基础物理性质，例如超导转变温度等。近年来，随着第一性原理计算和瓦尼尔插值方法工具的发展，以及实验上掺杂技术的大幅提升，通过掺杂手段理性调控材料输运行为已成为提高电子器件性能的重要手段。其中，掺杂诱导的电声耦合作用对材料热输运性能具有不可忽略的影响，特别是在无带隙金属材料和高浓度掺杂的半导体材料中。
以石墨烯为代表的二维材料在科学研究和工业应用上受到广泛的关注，实验上已成功合成的三磷化物（XP3，X为IV和V主族元素）半导体被证实具有较低的晶格热导率和高的热电优值。与镜面对称二维材料截然不同的是，由于XP3褶皱的晶体构型，其平面外的声学支（ZA）导热能力受到较大的抑制。此外，在二维XP3中，也存在半金属性质的BP3和CP3结构。先前的研究表明由于费米面处电子态的积累，金属性和半金属性材料可能存在较强的电声耦合作用。因此，对ZA支导热性能被极大抑制的半金属BP3和CP3而言，基于电子掺杂的电声耦合作用是否能够实现其电子和声子输运性能的理性调控值得研究和探索。
图1. 电子掺杂诱导的电声耦合作用调控材料电子和声子热导率示意图
本研究工作总结如下：
(i) BP3和CP3体系中电子热导率不同的温度依赖行为
图2 (a）声子热导率（kph）随温度变化曲线，（b）中心处ZA，TA，LA声学支的振动模式以及其在300 K下对kph的贡献比，（c）三声子散射相空间，（d）声子群速度。
如图2（a）所示，BP3和CP3中ke表现出截然不同的温度依赖关系。CP3中ke几乎不随温度增加，此现象归因于其电子寿命随温度增加呈现较为明显的下降趋势，即电子受到的散射强度增加（图2（b））。图2（c）展示了半金属BP3和CP3电导率的温度变化曲线，由于此类型结构费米能级附近较少的电子态，计算得到的电导率量级为106 S/m，低于金属和二维碳化物（石墨烯以及其异构体）。此外，BP3其洛伦兹数在整个温度区间内都高于Sommerfeld常数（L0 = 2.44 × 10−8 𐊶W/K2），此现象可以通过BP3结构在价带顶处高的空穴积累引起塞贝克系数弥补效应以及无带隙BP3中载流子易热激发特性来解释。
(ii) ZA支低的热导率贡献
图3 (a）声子热导率（kph）随温度变化曲线，（b）中心处ZA，TA，LA声学支的振动模式以及其在300 K下对kph的贡献比，（c）三声子散射相空间，（d）声子群速度。
如图3（a）所示，在BP3和CP3体系中，300 K温度下不考虑电声散射的kph分别为1.48和5.60 W/(m K)。此外，图3（b）给出了在300 K温度下不同声子分支对总声子热导率的贡献，ZA贡献率最低，此现象与二维石墨烯、氮化硼等镜面对称材料中ZA贡献率最大相反。这是由于此类结构褶皱特性引起的低频区域较强的声子间散射造成的。图3（c）所示的声子散射相空间做了进一步的验证。为探索半金属体系电声散射作用对声子热输运的影响，图3（a）也给出了未做电子掺杂体系中考虑电声散射后的kph随温度变化关系，kph在整个温度区间范围内变化几乎可以忽略。为解释此现象，图4（e-f）展示了声-声和电-声散射率散点分布，可以直观的发现，本征BP3和CP3体系中，电声散射强度很弱，几乎可以忽略。
（iii）电子掺杂大幅调控电声耦合强度和热导率
图4 （a）BP3和（b）CP3电子和声子热导率，（c）群速度和（d）电声散射率随电子浓度变化关系，（e）BP3和（f）CP3在300 K下不同掺杂浓度的声-电散射率散点分布图。
基于以上结果，进一步定量分析了ke和kph随电子浓度变化关系。在BP3体系中，ke呈现非单调变化趋势，在掺杂浓度n = 2.85 × 1013 cm−2时，ke从17.40 W/(m K)增加到49.58 W/(m K)。而CP3中ke在n < 1013 cm−2时几乎不发生变化，只有在极高掺杂浓度时才会表现出明显的下降趋势。基于Drude自由电子模型做定性的分析和理解，在低浓度区间（n < 3× 1013 cm−2），BP3中ke的明显增长得益于此区间内电子寿命以及群速度的增加，尽管此浓度区间内电子态密度很低。在高浓度区间（n > 1014 cm−2）内，ke和kph都呈现较大的折损，这主要是由于高浓度条件下电子和声子间极强的耦合作用。图4（d-f）给出了定量分析，在n = 3.10× 1014 cm−2浓度处，BP3和CP3中kph的降低幅度分别高达71%和54%。
本研究从理论层面揭示了在半金属BP3和CP3体系中，基于电子掺杂诱导的电声耦合作用可以实现材料体系输运性能的大幅调控，为热功能材料与器件开发与设计提供了相关理论指导。
原文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.108.085413
论文的第一作者是上海交通大学中英国际低碳学院2020级博士研究生饶勇超。相关研究工作同时得到了新加坡国立大学沈雷(Lei Shen)老师的大力支持与指导。