李昺课题组等发现弱键合局域振动模导致的反常热传导性质

danjuan

热传导是固体材料的基本物性之一。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，其热导率由公式描述，其中C为固体比热、为声子声速和为声子寿命。显然，声速越大，热导率也越大。
　　金属所沈阳材料科学国家研究中心功能材料与器件研究部的科研人员与合作者一同发现，层状晶体CuP2具有与经典半导体材料GaAs相仿的声速，但热导率却低一个数量级，室温下约为4 Wm-1K-1，如图1所示。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）。10月15日，这一研究结果以“Dimer rattling mode induced low thermal conductivity in an excellent acoustic conductor”为题发表于Nature Communications（doi: 10.1038/s41467-020-19044-w）。

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

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。

　　利用美国橡树岭国家实验室散裂中子源（SNS）的衍射仪POWGEN，金属所科研人员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。
　　非弹性中子散射技术是目前测量原子晶格色散关系最有力、最直接的手段。借助该技术，在本项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。常规的低热导率材料往往伴随着低声速，即低弹性模量，因此材料较软；与之形成鲜明对比，CuP2晶体兼具高声速和低热导率，有望在要求材料同时具有良好刚性和绝热性的场合得到应用。
　　本工作研究思路由功能材料与器件研究部的李昺研究员和张志东研究员提出，第一作者为2019级博士生齐迹，通讯作者为李昺研究员和ANSTO 的Dehong Yu博士。功能材料与器件研究部任卫军研究员、杨腾副研究员、以及在读博士生董宝娟、张召、张哲等参与了该项研究。参与此项工作的还有中国科学院福建物质结构研究所姜小明副研究员、兰州大学柴国志教授、南方科技大学何佳清教授、澳大利亚核科技组织的Sergey Danilkin博士、美国橡树岭国家实验室散裂中子源的张强博士、日本高能同步辐射装置的Koji Ohara博士、日本国立物质材料研究所的Osami Sakata博士和陈艳娜博士、美国得克萨斯大学奥斯汀分校Jianshi Zhou教授、美国加州大学河滨分校Xi Chen助理教授等。
　　本工作得到了国家自然科学基金（11934007，11804346）、中国科学院前沿科学重点研究计划“从0到1”项目（ZDBS-LY-JSC002）和辽宁省“兴辽英才计划”项目（XLYC1807122）的资助，也得到了SNS（IPTS-21435.1）、SPring-8（2019A1249）和ANSTO（P7373）的大科学装置机时支持。

      文章来源：金属所
      李昺，中国科学院金属研究所研究员、沈阳材料科学国家研究中心中子散射研究组PI，主要从事原子、分子及磁性无序材料的中子散射研究。2012年，于中国科学院金属研究所获得博士学位，随后赴美国弗吉尼亚大学物理系从事博士后研究，2015年至2018年初，在日本散裂中子源（J-PARC）中子谱学组工作。2018年3月，加入中国科学院金属研究所磁性材料与磁学研究部。迄今，已在Nature、Nature Materials、 Nature Communications等刊物发表论文40余篇。曾获得中国科学院优秀博士论文奖、中国科学院院长奖学金优秀奖等多项奖励。