金屬所研究人員發(fā)現(xiàn)兼具低熱導(dǎo)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(fā)現(xiàn)，二磷化銅晶體兼具高聲速和低熱導(dǎo)率，與常規(guī)低熱導(dǎo)率材料低聲速、材料較軟的特點(diǎn)形成了鮮明反差。這一研究結(jié)果于10月15日在《自然通訊》發(fā)表。

　　高熱導(dǎo)率材料在制冷系統(tǒng)散熱、電子元器件熱管理等方面具有重要應(yīng)用，而低熱導(dǎo)率材料則常常用來構(gòu)建絕熱環(huán)境。電子、磁振子、晶格均可導(dǎo)熱，晶格作為固體材料最基本的導(dǎo)熱載體，其聲速越大，熱導(dǎo)率也越大。

　　研究發(fā)現(xiàn)層狀晶體材料二磷化銅具有與經(jīng)典半導(dǎo)體材料砷化鎵相仿的聲速，但熱導(dǎo)率卻低一個數(shù)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(shù)系統(tǒng)研究了該晶體的晶格動力學(xué)，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(xiàn)了完整的晶格動力學(xué)圖像，為深入理解材料的反常熱傳導(dǎo)行為提供了保證。這一新材料的發(fā)現(xiàn)有望在同時具有良好剛性和絕熱性的場合得到應(yīng)用。

　　金屬所科研人員利用美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源(SNS)的衍射儀POWGEN，研究了材料的晶體結(jié)構(gòu)。二磷化銅具有層狀結(jié)構(gòu)，磷原子構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)。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(shù)，分析表明該體系不存在原子無序，從而排除了原子無序?qū)β曌拥纳⑸渥饔谩？蒲腥藛T生長了大塊單晶，綜合運(yùn)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(qū)，系統(tǒng)研究了材料的晶格動力學(xué)，實(shí)驗(yàn)得到的色散關(guān)系與第一性原理計(jì)算結(jié)果完全吻合。在晶格動力學(xué)上，銅原子對呈現(xiàn)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(xiàn)出強(qiáng)烈的非簡諧性。在色散關(guān)系上，發(fā)現(xiàn)了反交叉(anti-crossing)特征，表明這種弱鍵合局域振動模式強(qiáng)烈散射縱向聲學(xué)聲子。由于聲學(xué)聲子是導(dǎo)熱的主要參與者，尤其是縱向聲學(xué)聲子。因此，該模式對縱向聲學(xué)聲子的散射導(dǎo)致較低的聲子壽命，抵消了高聲速對熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)，這是造成該晶體具有低熱導(dǎo)率的直接原因。

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