金屬所研究人員發現兼具低熱導率和高剛性的新材料

　　金屬研究所李昺研究員和張志東研究員等科研人員與合作者一同發現，二磷化銅晶體兼具高聲速和低熱導率，與常規低熱導率材料低聲速、材料較軟的特點形成了鮮明反差。這一研究結果于10月15日在《自然通訊》發表。

　　高熱導率材料在制冷系統散熱、電子元器件熱管理等方面具有重要應用，而低熱導率材料則常常用來構建絕熱環境。電子、磁振子、晶格均可導熱，晶格作為固體材料最基本的導熱載體，其聲速越大，熱導率也越大。

　　研究發現層狀晶體材料二磷化銅具有與經典半導體材料砷化鎵相仿的聲速，但熱導率卻低一個數量級。針對這一反常行為，科研人員利用非彈性中子散射技術系統研究了該晶體的晶格動力學，從原子層次揭示了這一反常行為來源于銅原子對的弱鍵合局域振動模式(rattling振動模)。該研究中科研人員呈現了完整的晶格動力學圖像，為深入理解材料的反常熱傳導行為提供了保證。這一新材料的發現有望在同時具有良好剛性和絕熱性的場合得到應用。

　　金屬所科研人員利用美國橡樹嶺國家實驗室散裂中子源(SNS)的衍射儀POWGEN，研究了材料的晶體結構。二磷化銅具有層狀結構，磷原子構成的網絡和銅原子層交替排列。特別地，銅原子兩兩形成了孤立的原子對，原子對間距離較遠。利用日本高能同步輻射裝置(SPring-8)的BL04B2譜儀，獲得了材料的對分布函數，分析表明該體系不存在原子無序，從而排除了原子無序對聲子的散射作用。科研人員生長了大塊單晶，綜合運用澳大利亞核科技組織(ANSTO)的飛行時間譜儀Pelican和熱中子三軸譜儀Taipan，選定(200)、(022)和(111)三個布里淵區，系統研究了材料的晶格動力學，實驗得到的色散關系與第一性原理計算結果完全吻合。在晶格動力學上，銅原子對呈現弱鍵合局域振動模式。該模式在低溫下頻率約為11meV，隨著溫度升高，急劇軟化，表現出強烈的非簡諧性。在色散關系上，發現了反交叉(anti-crossing)特征，表明這種弱鍵合局域振動模式強烈散射縱向聲學聲子。由于聲學聲子是導熱的主要參與者，尤其是縱向聲學聲子。因此，該模式對縱向聲學聲子的散射導致較低的聲子壽命，抵消了高聲速對熱導率的貢獻，這是造成該晶體具有低熱導率的直接原因。

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