电场对单层硼烯热输运特性的调控机理

摘要

【目的】材料热传输特性中的各向异性与各向同性是其基本属性之一，在实际应用中至关重要。然而，目前针对从各向异性到各向同性调控的研究主要依赖于结构设计或材料加工，这些方法耗时长、成本高且不可逆，极大限制了该特性在实际应用中的灵活性。为此，本文提出利用外加电场调控二维硼烯热传输特性的方案，探索一种无需改变材料原子结构即可实现稳定且可逆调控的新方法。【方法】基于第一性原理计算，结合声子玻尔兹曼输运方程，系统研究了外加电场对硼烯热传输特性的影响。通过量化电场强度对声子寿命、热导率及其各向异性的调控效应，系统揭示其内在物理机理，并以平面内两方向(x方向和y方向)热导率的比值作为各向异性变化的表征指标。【结果】在外加电场作用下，硼烯平面内两方向的晶格热导率显著增加且逐步达到峰值，最大增幅可达2.82倍；与此同时，热导率的本征各向异性比提升至峰值2.13。随着电场强度的进一步增加，热导率迅速下降，各向异性表现出振荡式衰减。当电场强度增加至0.4 V/?时，热导率大幅下降，而各向异性比减小至1.25时，表现为近乎各向同性的热传输特性。进一步分析表明，这种从各向异性到各向同性的异常热传输转变，根本原因在于中等强度电场和高强度电场分别使声子寿命显著增强与大幅下降，从而对热导率产生放大或削弱的作用。【结论】通过外加电场调控声子寿命，可以在不改变材料原子结构的条件下实现对二维硼烯热传输稳定性和可逆性的精确调控。该方法有效克服了传统调控方法的局限性，为声子热传输各向异性的精准调控提供了新的理论和技术路径，尤其在纳米电子器件热管理和热电能量转换等领域展现出广阔的应用前景。

关键词

二维硼烯 / 晶格导热性 / 第一性原理 / 玻尔兹曼输运方程 / 声子 / 电场调控 / 各项同性 / 各项异性