利物浦大學最新Science：空氣熱導率的四倍！突破無機晶體材料熱導率的最低極限

【研究背景】

晶體材料的熱導率κ最低本征極限取決于聲子色散，是所有固體的固有特性，具有重要的技術影響。電子設備需要高κ來降低熱負荷，碳同素異形體是首選材料，同位素控制是抑制攜帶熱量的晶格振動（聲子）散射的關鍵。用于能量收集和渦輪葉片熱障涂層的熱電模塊需要低κ來維持溫度梯度。熱導率低于石英玻璃 (0.9 W/(m·K)) 的材料特別受關注，可用于日常隔熱。自從愛因斯坦發表理論工作以來，人們就對材料的κ下限進行了研究。熱物理學通常認為在低κ下會發生的質的差異，在這種情況下會出現許多機制。因此對新材料的研究有助于更好地理解先前未探索的原子排列和低κ上出現的鍵合模式。

【成果簡介】

英國利物浦大學Matthew J. Rosseinsky教授和Jonathan Alaria教授通過展示了如何設計不同的層序列來選擇性地靶向縱向和橫向聲子，并通過產生化學鍵和離子大小的不平衡來減少它們對熱導率的貢獻。化學鍵的不平衡顯著改變了聲子色散以減少熱傳輸，并且在結構上與離子尺寸的不平衡兼容，這進一步降低了熱導率。BiOCl和Bi₂O₂Se分別封裝了縱模和橫模的這些設計原理，體超晶格材料Bi₄O₄SeCl₂通過在其晶胞內允許這些效應協同并影響沿堆疊軸的所有傳輸活性聲子模式，使材料具有極低的熱導率0.1 W/(m·K)。其值僅為空氣熱導率的四倍，是所有大塊無機材料中最低的值，證明了對不同界面空間排列的化學控制可以協同修改振動模式以最小化熱導率。該文章近日以題為“Low thermal conductivity in a modular inorganic material with bonding anisotropy and mismatch”發表在知名頂刊Science上。

【圖文導讀】

圖一、化學相容的界面允許由鍵各向異性和失配驅動的協同聲子色散改性和組合

（a）由強鍵和弱鍵界面疊加而產生的各向異性鍵對比材料的示意圖。

（b）由于尺寸過小的離子層會產生層失配應變（用藍色陰影表示）和強鍵合界面（用彈簧表示），因此具有初始面內畸變的材料示意圖。

（c）一種材料的示意圖，該材料將交替強鍵和弱鍵界面的各向異性鍵對比度與層失配應變引起的初始面內畸變相結合。

圖二、BiOCl中vdW界面處的縱向聲子軟化降低了面外熱導率

（a）BiOCl的晶體結構顯示出強鍵合和弱vdW鍵合（橙色陰影）界面。

（b）平行（頂部）和垂直（底部）BiOCl壓片的總熱導率。

（c）計算BiOCl在面內κ和面外κ方向的低頻聲子色散。

圖三、Bi₂O₂Se中易畸變界面上的橫向聲子非諧性

（a）Bi₂O₂Se晶體結構表現出易畸變（藍色陰影）和強粘結界面。

（b）平行（頂部）和垂直（底部）Bi₂O₂Se顆粒平面的總熱導率。

（c）計算了Bi₂O₂Se在平面內κ和平面外κ方向的低頻聲子色散，突出顯示了縱向聲場模式（紅色）和橫向聲場模式（藍色）。

圖四、在Bi₄O₄SeCl₂中極低的熱導率

（a）Bi₄O₄SeCl₂晶體結構，突出顯示了三種類型的界面：強鍵合、弱vdW鍵合和易于畸變部分。

（b）計算的無Se/Cl位混合的Bi₄O₄SeCl₂低頻聲子色散，突出顯示了縱向聲場模式（紅色）和橫向聲場模式（藍色）。

（c）測量的非彈性中子散射（黑色圓圈）與針對有/無Se/Cl位混合的Bi₄O₄SeCl₂計算的中子加權廣義聲子DOS的比較。

（d）平行（頂部）和垂直（底部）Bi₂O₂Se顆粒平面的總熱導率。

【全文總結】

晶體材料的熱導率不能任意低，因為固有極限取決于聲子色散。綜上所述，作者使用互補策略來抑制縱向和橫向聲子對包含不同類型固有化學界面的層狀材料中熱傳輸的貢獻。BiOCl和Bi₂O₂Se分別封裝了縱模和橫模的這些設計原理，體超晶格材料Bi₄O₄SeCl₂通過在其晶胞內實現兩種界面類型來結合這些效果，沿其堆疊方向在室溫下達到0.1 W/(m·K)的極低熱導率，該值在空氣的四倍以內。作者證明了對不同界面空間排列的化學控制可以協同修改振動模式以最小化熱導率。

文獻鏈接：Low thermal conductivity in a modular inorganic material with bonding anisotropy and mismatch (Science, 2021, doi: 10.1126/science.abh1619)

本文由大兵哥供稿。