不同形式的碳或同素異形體，包括石墨烯和金剛石，都是最好的導(dǎo)熱體?，F(xiàn)在發(fā)表在《科學》期刊上的一項研究中，物理科學家們，監(jiān)測了薄石墨中導(dǎo)熱系數(shù)的演變。

這種性質(zhì)隨溫度和厚度的變化而演變，揭示了高電導(dǎo)率、厚度和聲子（以聲波觀察到的原子振動）流體動力學之間的密切聯(lián)系。研究記錄了室溫下石墨（8.5μm厚度）的熱導(dǎo)率（K）為4300W/m·K，這個值遠遠高于鉆石的記錄，略高于同位素提純的石墨烯。

升溫增強了較寬溫度范圍內(nèi)的熱擴散率，以支持部分流體動力聲子流動。觀察到的熱導(dǎo)率隨厚度減小而增加，表明聲子的離面動量與動量松弛碰撞比例有關(guān)。科學家們暗示，這些觀察結(jié)果與石墨中極端的聲子色散各向異性有關(guān)。

被稱為聲子的晶格傳播振動狀態(tài)可以使熱在絕緣體中傳播。在這種輸運現(xiàn)象中，準粒子可能會因為沿其軌跡的碰撞而失去動量。載流子之間大量的動量守恒碰撞，可以導(dǎo)致絕緣體中的聲子和金屬中的電子的流體動力學流動。

因此，為了量化準粒子粘度，電子和聲子的流體動力學機制受到了新關(guān)注。與理想分子氣體中的粒子不同，聲子動量并不是在所有碰撞中都是守恒的。例如，當兩個聲子之間散射產(chǎn)生的波，矢量超過倒易晶格的單位矢量時，多余的動量就會丟失到底層晶格。

物理學家將這類現(xiàn)象定義為Umklapp(U)散射事件(U事件)，因為它們需要足夠大的波矢。對于大多數(shù)聲子之間的碰撞，冷卻可以使熱激發(fā)聲子的典型波長減小，從而保持動量，成為正常的散射事件(N事件)。

在石墨烯中，N事件(與U事件相比)在很寬的溫度范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位，這使得研究人員可以提出，在低溫范圍之外的溫度下可以觀察到聲子流體動力學。雖然在石墨烯中使用標準的四探針穩(wěn)態(tài)技術(shù)，進行熱傳輸測量是具有挑戰(zhàn)性的。

但物理學家發(fā)現(xiàn)了第二聲的證據(jù)，這是聲子流體動力學的表現(xiàn)，在石墨中的溫度超過100K（與理論預(yù)期一致）。在結(jié)構(gòu)上，二維石墨晶格包含強層間sp2共價鍵和弱層內(nèi)van der Waals鍵。

材料的耦合強度和由此產(chǎn)生的二分法，使得石墨很容易裂解成單層石墨烯的形式。石墨鍵合的性質(zhì)也為面內(nèi)和面外原子振動創(chuàng)造了兩種截然不同的溫度?？茖W家通過對相同材料的厚度依賴研究，提供了新的見解。

研究團隊在高真空條件下，測量了從厚母樣中剝離出來的商業(yè)上可用的高度定向熱解石墨(HOPG)樣品的面內(nèi)熱導(dǎo)率(K)。發(fā)現(xiàn)，在低于20K的溫度下，厚度從8.5μm到580μm的樣品具有相同的k行為，在高于20K的溫度下，觀察到k的厚度隨溫度穩(wěn)定演變。

當將最厚樣品（580μm）中k的溫度依賴性與測量的比熱進行比較時，發(fā)現(xiàn)k在100K左右達到峰值，這與之前的測量結(jié)果相似。然而，由于聲子重量的不均勻分布，在大多數(shù)真實固體中觀察到的行為并不典型。

研究人員預(yù)計，這項研究中記錄的不尋常行為會掩蓋泊松體（由沿通道長度的壓力梯度驅(qū)動的流動）。通常與材料中比立方體更快的熱導(dǎo)率有關(guān)。研究小組仔細研究了熱導(dǎo)率和比熱的平行演化，以揭示隨k的演變而形成泊松體。

研究獲得了一張聲子流體動力學圖，清楚地解釋了這一特征，例如隨著守恒動量的碰撞比例增加，升溫增強了聲子之間的動量交換。在感興趣的溫度范圍內(nèi)，電子的貢獻也可以忽略不計。

由于HOPG的起始樣品具有平均樣品質(zhì)量，這項研究也支持了聲子流體動力學在沒有各向同性純度情況下發(fā)生的可能性。隨著樣品厚度減小，研究小組測量到了增加的k，變薄導(dǎo)致熱擴散率相對于流體力學狀態(tài)的非單調(diào)放大行為，科學家們在100K觀察到了石墨的第二聲。

然而，在10K以下，對厚度的依賴消失了，因為由平均微晶尺寸設(shè)置的聲子平均自由程與厚度無關(guān)?？茖W家們認為，觀察到的與厚度無關(guān)低溫熱導(dǎo)率，可能是通過移動電子對聲子的本征散射而產(chǎn)生。

8.5μm厚石墨樣品的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為~4300W/m·K，超過了同位素純石墨烯樣品的熱導(dǎo)率。當研究小組在室溫下將厚度減少兩個數(shù)量級時，觀察到k（熱導(dǎo)率）增加了五倍。結(jié)果表明，電導(dǎo)率的上限比預(yù)期要高，更薄、長寬比更大的樣品可以表現(xiàn)出更大電導(dǎo)率。

雖然以前的研究，已經(jīng)預(yù)測了石墨烯中強大的流體動力學狀態(tài)，并觀察到它在石墨中的持久性，但到目前為止還沒有人研究過厚度依賴的問題。新研究進一步研究了給定石墨聲子色散時U和N碰撞的發(fā)生，以了解觀察到的導(dǎo)熱系數(shù)來源。

在較薄的樣品中，U碰撞的相對重量減少了，以延長流體動力學窗口并增強熱導(dǎo)率?？茖W家們可以通過用鏡面反射代替一部分U碰撞來減小厚度，以限制熱流退化，本研究還進一步提出了嚴謹?shù)睦碚撚嬎銇斫忉層^察到的發(fā)現(xiàn)。

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參考期刊《科學》

DOI: 10.1126/science.aaz8043

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