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研究人员发现兼具低热导率和高刚性的新材料

中新网辽宁 2020年10月19日 19:00

  中新网辽宁新闻10月19日电 中科院金属研究所李昺研究员和张志东研究员等科研人员与合作者一同发现,二磷化铜(CuP2)晶体兼具高声速和低热导率,与常规低热导率材料低声速、材料较软的特点形成了鲜明反差。这一研究结果于10月15日在《自然 通讯》发表。

图1:CuP2晶体的热导率和晶体结构。a. CuP2与其它不存在原子无序的化合物的对比。b. CuP2单晶的热导率。c. CuP2的晶体结构。d. 略去P原子的晶体结构。

  高热导率材料在制冷系统散热、电子元器件热管理等方面具有重要应用,而低热导率材料则常常用来构建绝热环境。电子、磁振子、晶格均可导热,晶格作为固体材料最基本的导热载体,其声速越大,热导率也越大。

  研究发现层状晶体材料二磷化铜(CuP2)具有与经典半导体材料砷化镓(GaAs)相仿的声速,但热导率却低一个数量级。针对这一反常行为,科研人员利用非弹性中子散射技术系统研究了该晶体的晶格动力学,从原子层次揭示了这一反常行为来源于Cu原子对的弱键合局域振动模式(rattling振动模)。该研究中科研人员呈现了完整的晶格动力学图像,为深入理解材料的反常热传导行为提供了保证。这一新材料的发现有望在同时具有良好刚性和绝热性的场合得到应用。

图2:CuP2的晶格非谐性。a。不同温度下的声子态密度。b. 第一性原理计算的声子态密度。c. (022)布里渊区的声子色散关系,其中11 meV处的模式即为rattling模。d-f. 不同波矢和温度下的声子谱,其中随温度升高急剧软化的模即为rattling模。

  金属所科研人员利用美国橡树岭国家实验室散裂中子源(SNS)的衍射仪POWGEN,研究了材料的晶体结构。CuP2具有层状结构,P原子构成的网络和Cu原子层交替排列。特别地,Cu原子两两形成了孤立的原子对,原子对间距离较远,如图1c和d所示。利用日本高能同步辐射装置(SPring-8)的BL04B2谱仪,获得了材料的对分布函数,分析表明该体系不存在原子无序,从而排除了原子无序对声子的散射作用。科研人员生长了大块单晶,综合运用澳大利亚核科技组织(ANSTO)的飞行时间谱仪Pelican和热中子三轴谱仪Taipan,选定(200)、(022)和(111)三个布里渊区,系统研究了材料的晶格动力学,实验得到的色散关系与第一性原理计算结果完全吻合。在晶格动力学上,Cu原子对呈现弱键合局域振动模式,原子振动方向如图1c和d中的箭头所示。该模式在低温下频率约为11 meV,随着温度升高,急剧软化,表现出强烈的非简谐性,如图2所示。在色散关系上,发现了反交叉(anti-crossing)特征,表明这种弱键合局域振动模式强烈散射纵向声学声子。由于声学声子是导热的主要参与者,尤其是纵向声学声子(声速高达6243 m s-1)。因此,该模式对纵向声学声子的散射导致较低的声子寿命,抵消了高声速对热导率的贡献,这是造成该晶体具有低热导率的直接原因。

  全文链接:doi: 10.1038/s41467-020-19044-w