转角石墨烯热输运的声子模式解析

论文亮点

本文构建了转角石墨烯的模式分辨原子格林函数方法，系统研究了其模分辨声子输运特性，揭示了旋转角度对石墨烯层间热导的调控机制。研究发现，在0°到30°的旋转角度范围内，10°时层间界面热导最小。声子透射系数结果表明，面外声子模式主导层间热导，转角结构显著抑制了高频声子输运，尤其在6-16 THz频段。此外，入射角依赖的透射系数结果显示，30°时出现了独特的包络模式，表明旋转角度对声子输运路径具有调控作用。本文为二维材料热导率调控提供了新思路，并为其在热管理领域的应用提供了理论依据。

图文摘要

（a）旋转石墨烯的模式解析原子格林函数配置示意图，右图展示了不同旋转角度（θ = 0°，10°，20°，30°）下的石墨烯原子结构示意。（b-d）分别为不同旋转角度（θ = 0°，10°，30°）下，频率和入射角度与声子透射系数的依赖关系。

研究背景

转角石墨烯作为新兴二维材料，近年来在电学、光学和热传输领域受到广泛关注。尽管已有研究表明，石墨烯的电子和光学性质能通过调节旋转角度得到独特变化，但其在热传输方面的研究仍处于起步阶段。特别是在多层石墨烯体系中，旋转角度对声子传输的影响尚未得到充分理解。解析转角二维材料中模分辨声子输运机制，已成为热管理领域的关键问题。本研究通过模式解析原子格林函数方法，系统分析了不同旋转角度下石墨烯的声子输运特性，为二维材料在热传导领域的应用提供了新的理论依据与指导。

内容简介

最近，清华大学曹炳阳教授联合东京大学Shiomi Junichiro教授构建了转角石墨烯的模式解析原子格林函数方法，系统研究了不同旋转角度下转角石墨烯的声子输运特性。研究结果表明，旋转角度显著影响石墨烯层间的热传导，0°时层间热导最高，10°时最低。声子透射系数结果表明，发现转角结构有效抑制了高频声子输运，特别是在6-16 THz频段。模式解析结果揭示，面外声子主导多层石墨烯层间热输运，莫尔重构效应则阻碍了面内声子模式的传输，增强了面外声子模式对层间热导的贡献。入射角依赖透射系数结果表明，旋转角度在30°时，抑制了大入射角下的高频声子输运，表现出独特的包络模式。本研究为调控二维材料热导率提供了新的维度，有望为未来热管理应用提供理论依据。

总结展望

本研究揭示了旋转角度对石墨烯层间热导和模分辨声子输运的调控潜力，为二维材料的声子工程提供了新思路。研究结果为新兴电子、光子和热电设备的开发提供了理论支持，具有广阔的应用前景。未来研究可探索旋转角度对不同二维材料热导率的调控机制，并结合实验测量验证理论发现，为优化器件热管理、降低热损耗和提高能效提供理论基础。

Mode-Resolved Phonon Transport in Twisted Graphene

doi: 10.1088/0256-307X/43/4/040801

第一作者

丁文扬，清华大学博士后，2024年博士毕业于日本东京大学，2020年和2017年在山东大学和东北大学分别取得硕士和学士学位。主要从事芯片半导体材料热输运性质与人机协同机器学习辅助导热结构设计研究工作。2025年1月至今在清华大学航院曹炳阳教授课题组开展芯片半导体热输运研究工作。以第一/通讯作者在Nano Letters，npj Computational Materials, Chinese Physics Letters等期刊发表10余篇。主持国家级青年人才、国家自然科学基金青年项目、中国博士后基金面上项目、清华大学水木学者和日本学术振兴会JSPS外国人特别研究员项目共5项，在2025年亚洲热科学会议和中国材料学会产业大会作邀请报告2次，在2022日本应用物理年会、2023日本传热年会、2022年和2024年美国材料学会春季会议国际顶级会议做口头报告4次。

联系方式：wenyangding@mail.tsinghua.edu.cn

通讯作者

Junichiro Shiomi，东京大学工学部工程创新研究所及机械工程系教授，工学部副部长，日本工程院院士，日本机械工程学会会士、日本学术会议委员。1999年获日本东北大学工学学士学位，2004年获瑞典皇家工学院（KTH）博士学位。Shiomi教授领衔的热能工程实验室长期致力于从纳米到宏观的多尺度理论与实验研究，并结合材料信息学方法，推动材料、结构与系统层面的先进热管理、余热回收与能量转化技术发展。现任Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering 副主编。曾获国际空间研究委员会（COSPAR）Zeldovich奖、日本文部科学大臣科学技术奖、日本传热学会学术奖、日本热电学会学术奖、日本学术振兴会（JSPS）奖及贯山纪念奖等多项重要荣誉。

联系方式： shiomi@photon.t.u-tokyo.ac.jp

曹炳阳，清华大学航天航空学院教授，院长，获得国家自然科学杰出青年基金及延续资助，国际先进材料学会、亚洲热科学联合会和美国工程科学学会Fellow。担任亚洲热科学与工程联合会副主席、国际传热大会常务理事会理事、中国工程热物理学会常务理事、中国航空教育学会常务理事、中国工程热物理学会传热传质分会副主任、中国复合材料学会导热复合材料专业委员会副主任、中国工程热物理学会飞行/航行器热管理专业委员会副主任等学术职务。主要研究领域为微纳尺度传热、热功能材料及先进热管理技术，出版专著《纳米结构的非傅里叶导热》，迄今在Nature Electronics、Advanced Materials、Physical Review Letters等期刊发表SCI学术论文270余篇，担任ES Energy & Environment主编、International Journal of Thermal Sciences、Carbon Neutrality、Journal of Mechanics副主编和10多个国际期刊编委。

联系方式：caoby@mail.tsinghua.edu.cn