NpjComput.Mater.：長波聲子發聲：電熱輸運有我一份！

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在近年來，二維材料因其獨特的量子限域效應，在電子、光電和熱電器件中展現出巨大的應用潛力，被認為是下一代高效能晶片和綠色能源器件的核心材料。但如何真正掌握它們的效能密碼，一直是科學家面臨的難題。在材料效能的背後，凝聚態物理中普遍存在的電子與聲子之間的相互作用（即電聲耦合）起著至關重要的作用。然而，如何準確刻畫這種相互作用，尤其是其長程部分，始終是一個挑戰。過去的研究大多關注長程偶極子貢獻，而忽略了更高階的長程四極子效應。所謂四極子效應，你可以把它想象成材料內部原子的“振動組合拳”，它不像簡單的正負電荷那麼直接，而是更高階、更精妙的電場作用。

Fig. 1 Comparison of calculated temperature-dependent carrier mobilities.

對此，復旦大學未來資訊創新學院張浩副教授團隊和北京理工大學物理學院的周金建教授團隊合作，基於第一性原理計算，系統揭示了長程四極矩效應對新興的二維材料家族—-MA₂X₄（如MoSi₂N₄和WSi₂N₄）的電和熱輸運效能的關鍵影響。他們發現，在考慮四極子效應後，室溫下MoSi₂N₄中電子與空穴的遷移率分別下降了25.4%和12.8%，WSi₂N₄中則高達19.2%和52.3%，這意味著以往僅考慮偶極矩項和短程相互作用的模型可能高估了材料遷移率效能。在熱輸運方面，長程電聲耦合亦不可忽視，其導致三聲子限制的晶格熱導率分別下降了3.6%（MoSi₂N₄）和2.4%（WSi₂N₄）。

Fig. 2 Comparison of mode-resolved electrons and holes scattering rates.

更進一步，研究團隊還提出並推導了三聲子散射通道的選擇規則，揭示aoo/ooo（其中a與o分別指代聲學與光學模）散射通道在這兩種材料中占主導地位，為深入理解二維材料的熱輸運機制提供了理論依據。該文近期發表於 npj Computational Materials 11：166(2025)，英文標題與摘要如下，點選左下角“閱讀原文”可以自由獲取論文PDF。

Enhanced long-range quadrupole effects in 2D MSi2N4: impacts on electric and thermal transport

Juan Zhang, Jiayi Gong, Hongyu Chen, Lei Peng, Hezhu Shao, Yan Cen, Jun Zhuang, Heyuan Zhu, Jinjian Zhou & Hao Zhang

Long-range higher-order multipolar electron–phonon (e-ph) interactions beyond the dipole-like Fröhlich interactions have long been neglected in the description of various physical properties. Here we demonstrate the contribution from quadrupole effect to the electric and thermal transport properties of monolayer MSi2N4 (M = Mo/W) systems. The quadrupole effect reduces the electron and hole mobilities at 300 K by 25.4%, 12.8% for MoSi2N4, and by 19.2%, 52.3% for WSi2N4, respectively. For n- and p-type monolayers with modest dopings by fixing the carrier concentration to 1.0 × 1014 cm−2, the dipole-like e-ph interaction decreases the three-phonon-limited lattice thermal conductivities κl by 17.9% and 43.5% for monolayer MoSi2N4 and WSi2N4, respectively. However, further considerations of quadrupole e-ph interaction shrink such reductions of three-phonon-limited κl to only 3.6% and 2.4%, respectively due to the cancellation effects. Our results highlight the potential of MSi2N4 monolayers as promising candidates for advanced micro-electronic applications.