近日，纳米领域知名期刊Nanoscale Horizons (IF:11.6)发表了题为“Intervalley scattering induced significant reduction in lattice thermal conductivities for phosphorene”的重要研究成果。我院太赫兹技术及无线通信研究中心“先进信息材料与集成器件团队”助理研究员吴钰为论文第一作者和通讯作者，“先进信息材料与集成器件团队”周柳江教授为共同通讯作者，电子科技大学长三角研究院（湖州）为第一单位和通讯作者单位。
图1 论文网页截图
研究背景：
在低掺杂半导体中，电子-声子耦合主要限制电输运性能，而对声子热输运影响较小。随着掺杂技术的发展，研究人员开始重新关注电子-声子耦合对声子散射的贡献。本研究首次报道了电子-声子耦合对磷烯热输运性质的影响。发现电子能带结构的多能谷特征和强的电子-声子耦合强度使得电子在磷烯中具有较强的谷间散射行为。此时，电子-声子耦合主导声子散射，显著降低了晶格热导率。此外，由于磷烯声子能带具有较大的声光带隙，四声子相互作用对于晶格热导率的影响也不可忽视。该工作为寻找由谷间散射引起的低晶格热导率材料提供了新的思路。
图文导读：
本文对比了
和
中电声耦合作用修正晶格热导率的差异。的价带在布里渊区多个能量接近且相互连接的谷和峰，这为电子的谷间散射提供了良好的条件。的VBM位于
点，电子只能在单个能谷中发生谷内散射。
图2 高对称线上（a）和（b）的能带结构，插图为布里渊区内3D能带结构。（c）和（d）的声子能谱，曲线颜色代表300 K时的平均声子数。
考虑电子-声子耦合效应后，p型的晶格热导率下降尤为明显，室温下仅有
。并且，在考虑声子间相互作用时，LA声子对热导起主要贡献，当引入电子-声子耦合效应后，TA声子对热导率贡献最大。
图3 考虑不同散射过程（a）和（b）晶格热导率随温度的变化；考虑声子间相互作用（c）和（d）的累计热导率，插图为300 K时不同模式的声子对热导率的贡献。
通过计算按动量分解的晶格热导率，发现小动量（
）和中等动量（
）的声子主要贡献的热导。前者将参与电子-声子耦合过程中电子的谷内散射，而后者将参与谷间散射。在很宽的动量范围内，电子-声子耦合效应显著降低了材料的晶格热导率，下降率均超过
。
图4不同动量声子对（a）和（b）晶格热导率的贡献。绿色球体表示
的p型掺杂下晶格热导率的变化率。
本文亮点：
声子间的相互作用一直被认为是材料中声子散射的主要因素。然而，我们发现在具有多能谷特性的磷烯中，由电子-声子耦合引起的谷间散射效应主导声子散射，并且由于较大的声光带隙，材料中四声子的相互作用不可忽视。我们的工作为寻找由谷间散射的低晶格热导率材料提供了新的思路。
文章链接：https://doi.org/10.1039/D3NH00090G
图、文：先进信息材料与集成器件团队吴钰/ 编辑：李卓然 / 审核：李卓然 / 发布者：李卓然
