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给块体材料结构降维,让热传导慢下来

Science China Press

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IMAGE:  (a)Bi2Se3, Sb2Se3以及BiSeX (X = Br, I)的热导率随温度的变化关系,插图是BiSeI中的一维链;(b) STEM下BiSeI晶体中的纳米针状结构。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

低热传导材料在热电能量转换和热障涂层等领域具有重要应用。目前,可在块体材料中实现低热传导特性的方法有:引入多尺度缺陷(原子尺度、纳米尺度和微米尺度)、大的分子质量、复杂晶体结构、大的晶胞和寻找强非谐振性等。近日,北京航空航天大学赵立东教授等人在Science China Materials 发表研究论文,通过第一性原理计算筛选和实验合成表征,发现了一类具有超低本征热导率的一维链状结构化合物BiSeX (X = Br, I),从晶体结构的角度揭示了超低热导率的机制,提供了一种在具有一维链状晶体结构的块体材料中寻找低热传导特性的新思路。

为了探究BiSeX (X = Br, I)的超低热导率传输机制,作者对比了IV-VI族元素形成的具有二维和一维结构的化合物的晶体结构,发现随着结构维度从二维降低到一维,热导率也呈现下降的趋势(图 1a)。这主要是来自于维度的降低导致形成的低维结构之间成键强度逐渐减弱。基于这个观点,进一步观察BiSeX中链内的化学键结合,发现引入卤族元素后链内的成键变弱。因此,BiSeX沿着三个晶向的成键均弱于其他化合物,表现出近似零维的结构,即在三个晶体学方向的化学键均为弱结合(图 2)。不同于以较强的共价键结合的超高热导率(> 2000 W m−1 K−1)金刚石,声子在结合较弱的BiSeX中的输运得到了显著的抑制,最终导致了其超低的热导率,最低热导率在573 K时达到了~0.27 W m−1 K−1(接近于理论最小值)。

该研究提出了在具有一维链状结构的块体材料中寻找低传导特性的新思路, 该研究思路在热电材料和热障涂层材料等低热传导需求领域中具有广阔的应用前景。

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相关文章以“Extremely low thermal conductivity from bismuth selenohalides with 1D soft crystal structure”为题发表于Science China Materials (2020) doi: 10.1007/s40843-020-1407-x,并且被Science 杂志通过选取插图(图3)进行亮点报道 (Science, 368(2020) 1325.)。

该研究得到了国家重点研究发展计划(2018YFA0702100,2018YFB0703600),国家自然科学基金(51772012,51632005),国家杰出青年科学基金(51925101),深圳孔雀计划团队(KQTD2016022619565991),北京市杰出青年科学基金(JQ18004),中国博士后科学基金(2019M650429)以及教育部111引智计划 (B17002)的共同资助。

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