研究背景
范德華（vdW）層狀納米材料中的位錯會引發應變和結構變化，從而顯著影響熱傳輸。理解這些效應有望利用位錯調控，以優化熱電和光電應用，但實驗研究仍然有限。為此，北卡羅來納州立大學Yin Liu、加州大學伯克利分校Junqiao Wu & Jie Yao團隊、Lei Jin等合作在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Anomalous thermal transport in Eshelby twisted van der Waals nanowires”的最新論文。在本研究中，他們采用合成的 Eshelby 扭曲 vdW GeS 納米線（NWs）作為模型系統，研究位錯引起的結構修飾與晶格熱導率之間的相互作用。測量結果顯示，位錯穩定了一種單斜結構，使較大直徑的納米線的熱導率大幅下降（室溫下降 70%），這一結果得到了第一性原理計算的支持。有趣的是，作者還發現扭曲納米線的熱導率隨直徑減小而異常增強，這一現象與非扭曲 GeS 納米線的典型趨勢相反。該現象可歸因于納米線核心區域的導熱性增強，這是由于中心位錯周圍的壓縮應變所致，并與基于密度泛函理論（DFT）的核-殼模型相一致。作者的研究結果強調了位錯在熱傳輸中的關鍵作用，為缺陷和應變工程在先進熱應用中的設計提供了基礎性見解。
研究亮點
（1）實驗首次利用合成的 Eshelby 扭曲 vdW GeS 納米線作為模型體系，探討了位錯引起的結構調控對晶格熱導率的影響。（2）實驗通過透射電子顯微鏡（TEM）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）等技術，觀察到扭曲納米線的單斜結構與非扭曲納米線的正交結構的顯著差異。（3）實驗結果表明，大直徑扭曲納米線的熱導率在室溫下下降約 70%，這與其獨特的單斜堆疊結構密切相關。（4）實驗通過第一性原理計算和核-殼模型模擬，揭示了位錯引發的壓縮應變是熱導率變化的根本原因，特別是在納米線的核心區域。（5）實驗觀察到，扭曲納米線的熱導率隨直徑減小而出現異常增強，盡管傳統理論認為直徑減小應導致熱導率下降。（6）實驗通過四維掃描透射電子顯微鏡（STEM）應變分析，進一步驗證了位錯中心周圍的壓縮應變促進了納米線核心區域熱導率的提高。
圖文解讀
圖2：具有和不具有Eshelby 扭曲GeS 納米線的熱導率與直徑有關。圖3：大直徑納米線NW 熱導率（體極限）和STEM測量結果。
圖4：扭曲納米線NW的應變增強熱導率。
結論展望
綜上所述，本文對 Eshelby 扭曲 vdW 納米線（NWs）的研究揭示了由位錯誘導的結構變化導致的顯著且異常的聲子傳輸行為。位錯剪切應變引起了層間滑移和堆疊變化，顯著降低了熱導率。因此，剪切應變可以用于穩定 vdW 材料中的亞穩結構，實現在橫向方向上的低熱導率和高熱各向異性等獨特的物理特性。相反，位錯核心附近的局部壓縮應變增強了熱導率，導致隨著直徑減小，熱導率出現意外的增加，這一現象通過核-殼模型得到了說明。這種異常的傳輸行為為解決低維納米材料中的經典尺寸效應，特別是在微電子熱管理中的應用，開辟了新的思路。此外，在薄膜或塊體 vdW 材料中引入高密度的定向位錯，可以創建具有不同相和高度導電核心通道的區域，因此，調整位錯的密度、方向和特性對于控制相穩定性和材料性能至關重要。 Liu, Y., Jin, L., Pandey, T. et al. Anomalous thermal transport in Eshelby twisted van der Waals nanowires. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02108-3
