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(lái)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(duì)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(lái)源于銅原子對(duì)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(chǎng)合得到應(yīng)用。

　　金屬所科研人員利用美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)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(duì)，原子對(duì)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(duì)分布函數(shù)，分析表明該體系不存在原子無(wú)序，從而排除了原子無(wú)序?qū)β曌拥纳⑸渥饔谩？蒲腥藛T生長(zhǎng)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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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