近日，我院张涛教授团队在双层转角石墨烯热输运方面的研究取得进展，相关工作以《Magic angle in thermal conductivity of twisted bilayer graphene》为题发表在国际知名期刊Materials Today Physics（影响因子11.021，物理领域中国科学院一区）。程亚娟博士为第一作者，广州大学为第一单位。该研究工作受到国家自然科学基金面上基金、强脉冲国家重点实验室开放基金、广东省基础与应用基础研究青年项目等支持。
近年来，双层转角石墨烯因其独特的性能受到了广泛关注。当两层石墨烯之间的转角达到1.08°时，能带杂化及反交叉的出现导致在狄拉克点附近形成平带。在1.08°的转角下，双层石墨烯会产生很多不寻常的的现象（包括超导、电子强关联、自发铁磁性、量子化的反常霍尔态以及拓扑保护态等）。因此，1.08°常被称为“魔角”。近年来，科研工作者从实验和理论预测方面对魔角进行了大量的研究。截止目前，大部分关于双层转角石墨烯的研究集中在其电学性质上，关于热输运方面的研究还很少。
在该论文中，程亚娟博士等报道了双层转角石墨烯（TBG）的热导率在转角角度为1.08°时呈现一个反常的局部极小值。通过运用齐性非平衡分子动力学进行系统的研究发现，这个热导率的局部极小值源自于原子振动振幅和应力的空间分布与散射位点密度之间的竞争。在摩尔超晶格中，不同位置两层石墨烯的堆叠方式是不一样的，在一个周期内其典型的堆叠方式包括AA、AB/BA、SP堆叠（如图1所示）。不同的堆叠模式使得不同位置的原子振动和应力都有所区别，导致声子所感受到的环境不一样，从而产生声子散射位点，降低热导率。热魔角的形成源自于原子振动振幅和应力的非局域化与AA堆积密度增加之间的竞争。前者削弱了单个散射位点的散射强度，而后者增大了散射位点的密度。这两种效应的结合最终导致了转角石墨烯中出现了热传导的不规则性。热魔角的出现，揭示了纳米尺度下新的传热机制，并进一步揭示了二维材料的独特物理特性。
图1. 左：双层转角石墨烯（TBG）的摩尔晶格及三种典型的堆叠结构；中：TBG归一化总热导率在不同温度下随转角的变化；右：TBG中散射强度、AA堆叠中心的密度等随转角的变化
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2023.101093
