近日，我们课题组在期刊Materials Today Physics发表了题为“Approaching to low thermal conductivity limit in layered materials through full-spectrum phonon band engineering”的论文。通过创新的多尺度声子调控，理论上提出了实现层状材料热导率的极限突破的异质结构设计，并阐明了其微观物理机制。这一工作为探索新型热功能材料提供了理论支撑与实验指导。

研究背景

热导率是材料在热管理与能量转换中的关键性能指标。传统低热导率材料（如多孔材料）虽能有效隔热，但其力学性能与高温稳定性受限。全致密低热导率材料兼具高强度与低热扩散率，在极端热冲击环境下更具优势。然而，如何在致密材料中实现超低热导率（远低于0.1 W/mK）仍面临挑战。近年来，层状材料（如MoS₂）因其弱范德华相互作用和可调控的声子输运特性成为研究热点，但现有低热导率的数据多来自于超薄薄膜中声子边界散射导致的尺寸效应，难以在大尺寸材料中实现超低热导率。

研究内容

本文提出了一种基于全频谱声子带工程的新策略，通过设计旋转堆叠的MoS₂/WSe₂异质结构，实现了垂直方向热导率的显著降低，并揭示了其微观机理。研究亮点如下： 

1. 优异的热性能。（1）超低热导率的突破：旋转堆叠的MoS₂/WSe₂异质结构在垂直方向的热导率低至 0.046 W/mK，较体相MoS₂（约5 W/mK）降低两个数量级，是目前致密材料中最低值之一。（2）高各向异性热导率比：平面内热导率仍高达53 W/m K，兼具高效面内导热与垂直方向绝热性能，各向异性比高达1150，高于石墨和扭转MoS₂等材料体系，适用于定向热管理场景。

图1. （a）不同堆叠的MoS₂与MoS₂/WSe₂结构。（b）旋转堆叠结构示意图。（c）在300K下，不同堆叠结构的面内以及垂直面方向的热导率。

2. 全频谱声子调控机制。（1）低频声子抑制：通过引入WSe₂层（原子质量更大），降低纵向声学（LA）声子的群速度与平均自由程。（2）高频声子抑制：质量交替导致高频的光学声子频率间隔增大，抑制声子跳跃机制（Hopping），减少高频声子对热传导的贡献。结合维格纳输运理论，揭示了高频光学声子能量交换的抑制机制，突破了传统声子气体模型的局限性。（3） 旋转堆叠效应：层间旋转破坏超晶格结构的周期性，从而抑制相干声子的输运；同时会极大的抑制横向声学（TA）声子的群速度，进一步削弱法向声子输运。

图2. （a）频谱分解的热导率。（b）声子平均自由程随频率变化。（c）多层堆叠结构的一维原子链的模型简化。（d）一维原子链模型计算的色散关系曲线。

图3. （a）分子动力学热流分解下获得的无序堆叠结构中高频的光学声子频谱热导率贡献。（b）Wigner输运理论计算的高频声子的频谱热导率贡献。

3. 理论与实验验证。结合分子动力学模拟（MD）与格林-久保方法，定量分析了声子频谱、平均自由程及参与比等关键参数。并且计算预测了在有限厚度下的层状材料的热导率随厚度的变化关系。我们理论预测结果与现有的实验测量结果吻合得很好，成功解释了超薄样品和厚样品中实现低热导率不同的机制。

图4. （a）不同厚度下的层状材料的热导率随厚度的变化关系。

研究意义

本文不仅为设计超低热导率材料提供了新思路（全频谱声子工程），还揭示了层状材料中热输运的各向异性调控机制。其成果可应用于：（1）开发高效热障涂层：极端环境下设备的热保护。 （2）提出电子器件热管理新方案：定向散热与局部绝热的协同设计。 （3）热电材料优化：通过抑制热导率提升热电转换效率。

论文第一作者为上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生胡松。

论文信息：Song Hu and Xiaokun Gu, Approaching to low thermal conductivity limit in layered materials through full-spectrum phonon band engineering, Materials Today Physics, 52, 101664 (2025).

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101669