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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

山東埃爾派 | 點(diǎn)擊量:0次 | 2020-11-23

摘要
  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

  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(gè)數(shù)量級(jí)。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(dòng)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(dòng)模式(rattling振動(dòng)模)。該研究中科研人員呈現(xiàn)了完整的晶格動(dòng)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(shí)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???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(shí)間譜儀Pelican和熱中子三軸譜儀Taipan,選定(200)、(022)和(111)三個(gè)布里淵區(qū),系統(tǒng)研究了材料的晶格動(dòng)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(dòng)力學(xué)上,銅原子對呈現(xiàn)弱鍵合局域振動(dòng)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(dòng)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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