我室在二维材料晶格动力学研究方面取得系列成果
二维材料由于其优异的电学、光学、力学等性质，使得它们在电子器件、自旋器件、光学传感器、发光材料等领域有较广阔的应用前景。对于二维材料的实验表征、性能调控、器件应用，声子谱、热膨胀、以及力学性能的热效应等晶格动力学性质都是需要重点利用/考虑的。如果能够对二维材料晶格动力学原理建立起一个系统、普适、简洁的物理图像，那对未来的实验和理论研究，都会有较大的促进作用。
在最近的几年里，曾雉研究员小组广泛地研究了几类有代表性的二维材料（石墨烯相关材料、硅烯和锗烯相关材料、过渡金属硫族化合物）。利用第一性原理，模 拟了这些二维材料的电子结构、声子谱、格林埃森常数、热膨胀、以及力学性能的热效应，系统、深入、简洁地总结了二维材料晶格动力学的三个重要机理：1、质量效应；2、结构效应（包括低维效应和厚度效应）；3、化学键强度效应。主要结论如下：
1、质量效应
原子质量对声子谱影响较大（同位素效应），对材料比热、自由能等影响也较大。但是，对二维体系的非简谐性质（比如，热膨胀和力学性能的热效应）影响较小，往往可以忽略。
2、结构效应
(a) 低维效应：
二维材料里面，会有类似连续薄膜波动的振动模式，叫做弯曲模式 (flexural/bending mode)。 常规声子模式在长波长下的色散关系是线性的（即，声速是常数），但是长波长的弯曲模式的色散关系是抛物线关系，这是一种低维效应。这种弯曲模式的存在，是 导致二维材料上的结构涟漪、负的格林埃森常数、和负的热膨胀系数的根本原因，其实也是一些三维材料（比如，硅、锗等半导体）里出现负的热膨胀系数的原因。 这通常也叫做薄膜效应或吉它弦效应。负的热膨胀会导致材料力学性能出现热硬化现象，但在高温下会因为声子的大量激发而出现常规的热软化现象。
(b) 厚度效应：
厚 度的增加有两种方式，一是通过不同层之间的堆叠（比如，多层石墨烯），二是通过增加单层内部的厚度（比如从石墨烯到功能化的石墨烯）。前者使得弯曲模式的 回复力和层之间原子键方向一致，后者使得层内部出现和垂直方向不正交的原子键，效果都是使得弯曲模式不再完全像连续薄膜里面的那些弯曲模式了。所以，厚度 无论通过哪种方式增加，二维材料里的弯曲模式都会损失一些二维特性，其格林埃森常数和热膨胀系数都会更加接近三维材料。有个常识就是：厚度越大，材料热力 学性能越靠近三维材料，而我们的工作很好地揭示了这个常识背后的根本机理。不过即使未来其它材料上出现反常现象，我们的机理还是可以用来揭示背后的反常机 理。
3、化学键强度效应
二 维材料多数是共价化合物，其原子键的强度通常由共价性和离子性之间的竞争来决定。在任何一个材料的一个声子模式里，一般都包含了一些原子键的局部拉伸和弯 曲。弯曲振动对格林埃森常数和热膨胀会有负的作用，机理和上述的薄膜效应是一样的，而拉伸振动是起正的作用。当原子键强度不够高的时候，拉伸振动的正效果 有时候会被弯曲振动的负效果给超过，反之亦反。这个机理不限于二维材料，块体Si, Ge, GaN等材料的LA模式出现较大负的格林埃森常数，及其低温下负的热膨胀系数，皆因为原子键强度较弱导致，而金刚石、石墨、单层石墨烯里的LA只有正的格林埃森常数，因为这些材料里面的碳—碳 键是超强的。对比不同过渡金属硫族化合物的格林埃森常数，原子键强度的机理会非常明显。除了通过影响格林埃森常数来影响热膨胀系数的正负和大小之外，原子 键强度还会通过弹性常数来影响热膨胀系数的数值大小。弹性常数小的材料有容易膨胀的趋势，即软的东西更容易被任何扰动改变尺寸（常识）。总的来说，原子键 强度通过格林埃森常数和热膨胀系数产生关联是一种非简谐效应(anharmonic effect)，不仅决定大小，也决定正负；而通过弹性常数和热膨胀系数产生关联却是一种简谐效应(harmonic effect)，只影响数值大小。
发表文章
[1] L. F. Huang and Z. Zeng, “Lattice dynamics and disorder-induced contraction in functionalized graphene”, J. Appl. Phys. 113, 083524 (2013).
[2] L. F. Huang, T. F. Cao, P. L. Gong, and Z. Zeng, “Isotope effects on the vibrational, Invar, and Elinvar properties of pristine and hydrogenated graphene”, Solid State Communications 190, 5-9 (2014). (属于上一个工作的附加故事)
[3] L. F. Huang, P. L. Gong, and Z. Zeng, “Correlation between structure, phonon spectra, thermal expansion, and thermomechanics of single-layer MoS2”, Phys. Rev. B 90, 045409 (2014).
[4] L. F. Huang, P. L. Gong, and Z. Zeng, “Phonon properties, thermal expansion, and thermomechanics of silicene and germanene”, Phys. Rev. B 91, 205433 (2015); arXiv:1503.03027 (2015).
[5] L. F. Huang and Z. Zeng, “Roles of mass, structure, and bond strength in the phonon properties and lattice anharmonicity of single-layer Mo and W dichalcogenides”, J. Phys. Chem. C 119, 18779-18789 (2015).
