Engineering Ultrahigh Thermal Conductivity in Buckling Structure by Activating Lone Pair Electrons

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作者
Haofeng Qin,Yi Zhang,Jianzhou Lin,Donghai Wei,Jianing Xu,Yujie Zhang,Guangzhao Qin
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.5c03629
摘要

High thermal conductivity (κ) is critical for the thermal management of nanoelectronics, as efficient heat dissipation underpins device stability and performance. Carbon nitride (CN) compounds are promising two-dimensional (2D) materials with tunable structures, low cost, facile synthesis, excellent optical properties, and wide bandgaps, yet achieving high κ is hindered by the buckled structures breaking reflection symmetry, the lone pair-bonding electron interactions enhancing anharmonicity, and the long-neglected four-phonon scattering, which are pivotal factors for high κ. Herein, we address these challenges in 2D buckled c-CN via atomic-scale coordination environment optimization and electronic structure regulation, where the unique lone pair electron coordination induces buckling while mitigating lone pair-bonding electron interactions to maintain low anharmonicity. As a result, the c-CN exhibits an ultrahigh κ of 1359 W/mK (three-phonon scattering) and retains 708 W/mK even with four-phonon scattering included, confirming it as a high-κ CN material. This study could provide guidance for atomic-level structure and electronic structure design of high-κ 2D materials for nanoelectronic heat dissipation.
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