TBSI吳軍橋教授Science：發現二氧化釩反常電子熱導率，“打破”物理定律

這是一個完全意料之外的發現。教科書上對于傳統導體而言堅不可摧的物理定律在此材料上瓦解了。這項發現對于理解新穎導體的基本電子行為，具有根本的重要意義。?

——吳軍橋

導讀

最近，由美國伯克利加州大學材料科學與工程系教授、清華-伯克利深圳學院（TBSI）首席科學家之一吳軍橋領銜的一項科學研究發現，處于金屬態的二氧化釩的電子在導電時幾乎不導熱，打破了經典物理定律威德曼-弗朗茲（Wiedemann-Franz）定律。這項科學發現發表于2017年1月27日的世界頂尖學術雜志《科學》上，它將為凝聚態物理和熱電系統以及散熱技術帶來一系列更為廣泛的思考和應用。

如果你了解金屬材料，你必定知道在金屬中導電性和導熱性存在相互影響、相互制約的關系。根據威德曼-弗朗茲（Wiedemann-Franz） 定律，導電性好的金屬也具有較好的導熱性質。這也是教科書上的金科玉律。

什么是威德曼-弗朗茲定律？

威德曼-弗朗茲（Wiedemann-Franz）定律，是關于材料「熱導率λ」與「電導率σ」之間的關系的定律。德國物理學家G. H. 威德曼和R. 弗朗茲由大量實驗事實發現，許多金屬的熱導率和電導率的比值都是一個常數，這一規律稱為威德曼-弗朗茲（Wiedemann-Franz）定律。1891年H.A.洛倫茲進一步發現，比值λ/σT是與金屬種類無關的常數，T是絕對溫度，這常數用L表示，稱洛倫茲常數。

簡單點說，此定律說明，如果金屬材料的導電性能越好，那么其導熱性能也越好。

二氧化釩的奇異相變

然而，二氧化釩這種材料卻打破了該經典物理定律。二氧化釩具有一個著名的金屬-絕緣體相變，其相變溫度比起其它多數金屬-絕緣體相變材料的相變溫度要高，在室溫以上，為67?C左右。在該溫度以上，二氧化釩呈現金屬性質，在該溫度以下，其呈現絕緣體性質。相變前后其對紅外光可產生由透射向反射的可逆轉變。這一相變以及伴隨的其它奇異性質，使得二氧化釩具有較廣泛的應用前景，并吸引了眾多研究者。

吳軍橋教授評論說：“這是一個完全意料之外的發現。教科書上對于傳統導體而言堅不可摧的物理定律在此材料上瓦解了。這項發現對于理解新穎導體的基本電子行為，具有根本的重要意義。”

研究過程

在研究二氧化釩電子輸運行為的過程中，他們驚訝地發現，由電子運動引起的熱導率還不及Wiedemann-Franz 定律預計的十分之一。對于這個現象，吳軍橋教授解釋道：“在此材料中，電子在運動時具有很強的相互關聯性，就像液體一樣，而不像普通金屬中的電子表現為互不關聯的單個粒子（單個粒子）。對于電子而言，熱是一種隨機運動。普通金屬之所以可以有效地傳導熱量，是因為眾多電子都在做隨機的自由運動，就像一群散亂游客，它們可以在很多不同的微觀形態之間隨機跳轉。而對于二氧化釩而言，其中的電子是相互關聯的，其運動好比行進著的儀仗隊。和散亂游客比起來，儀仗隊的士兵們步調一致，從而壓制了體系的隨機性（也就是所謂的熵），這也就造就了二氧化釩的電子導熱極低的特性。”

更值得注意的是，通過讓二氧化釩與其他物質混合形成合金，可以調節其導電率和導熱率的值。在單晶二氧化釩樣本中摻入鎢元素時，二氧化釩變成金屬時的相變溫度變低了。同時，金屬相中的電子變成更好的導熱體。這一特性，可被用來智能地調控其它體系的散熱過程和內部溫度。

相關應用

吳教授組的研究人員稱，這種材料做成涂層，可以用于調控汽車引擎和電池的熱量散發，或者用于玻璃涂層，可提高建筑物的空調和暖氣的能效。相信在不久的未來，我們會發現二氧化釩更多奇藝的特性并開發應用于實際。

原文鏈接：Anomalously low electronic thermal conductivity in metallic vanadium dioxide

本文由清華-伯克利深圳學院（TBSI）投稿，材料人XRsmile編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。