研究人员已经证实，单晶黑磷纳米带的导热性具有很强的各向异性，实验表明应该促进这种材料在未来电子产品、光电及热电器件的应用。

 

伯克利实验室研究人员通过实验已经证明了单晶黑磷纳米带的热导率沿锯齿方向（ZZ）和扶椅方向（AC）存在着较强的平面各向异性。

图片来源：Junqiao Wu, Berkeley Lab

一项有关黑磷纳米带的新研究有望促进这种前途无量的材料在未来电子产品、光电及热电领域的应用。美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室（Berkeley Lab）研究人员通过实验证明了单晶黑磷纳米带的热导率沿锯齿方向（ZZ）和扶椅方向（AC）存在着较强的平面各向异性。

伯克利实验室材料科学分部和加州伯克利大学材料科学与工程系物理学家Junqiao Wu（吴军桥）说：“把黑磷的晶格想象成连接着弹簧的二维网格，网格沿平面方向的面比其他面更软。我们的研究结果表明，黑磷纳米带中的热流沿不同方向也存在着类似的差异。最近已有理论预测了黑磷的这种热导各向异性，但从未观察到。”

该研究以“温度100K以上，黑磷纳米带的各向异性平面热导率（Anisotropic in-plane thermal conductivity of black phosphorus nanoribbons at temperatures higher than 100K）”为期发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上，Wu是该论文的通讯作者，Sangwook Lee和Fan Yang是共同第一作者。

黑磷因其颜色而得名，是一种具有带隙的天然半导体，其电导可切换“开和关”。理论认为黑磷与石墨烯形成鲜明对比，黑磷的热导和电导具有与石墨烯相反的各向异性，即更容易导热的方向，导电则更困难。这种各向异性可用于设计节能晶体管以及热电器件，但样品的制备和测量具有极大的挑战性。

“我们采用光刻技术自上而下的制得了黑磷纳米带，然后利用悬浮微pad器件使其与周围环境保持隔热状态，以使精确测量很小的温度梯度和沿单个纳米带的热导。”Wu说，“我们不惜一切代价设计纳米带与对电极间的界面，以确保可以忽略热阻和电阻，这对此类实验室必不可少的。”

该研究在位于伯克利实验室的DOE办公室科学用户设施Molecular Foundry内进行，结果显示温度高于100K时热导率的各向异性很高。这种各向异性的主要原因是声子色散以及声子-声子散射率，这两个因素都具有取向性。详细分析显示300K时，随着纳米带的厚度从300nm降至50nm，热导也持续降低。各向异性率在此厚度范围内保持两个数量级。

“黑磷纳米带热导的各向异性表明，将这种层状材料图案化成不同形状，以备微电子和光电器件使用，需要考虑图案的晶格取向。”Wu说，“如果器件工作时发热和散热起到一定作用的话，那么这种各向异性就显得特别有优势。比方说，这些具有取向性的热导率为设计不同晶格取向冷却和运行的微电子芯片提供了机会。我们可以采用有效的热管理来降低芯片温度，提高芯片性能。”

Wu等人计划利用他们的实验平台研究不同场景对黑磷纳米带热导率的影响，比如异质界面、相变以及域边界。他们还想探索不同物理条件的影响，比如应变和压力。 

新材料在线编译整理——翻译：菠菜     校正：摩天轮