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我研究人员发现兼具低热导率和高刚性的新材料

2020-10-26 09:57:40 编辑:陈九林 来源:四川科教新闻网-官网 点击:0

科技日报记者 郝晓明

记者从中国科学院金属研究所获悉,该所李昺研究员和张志东研究员等科研人员与合作者一同发现,二磷化铜(CuP2)晶体兼具高声速和低热导率,与常规低热导率材料低声速、材料较软的特点形成了鲜明反差。这一新材料的发现,有望在同时具有良好刚性和绝热性的场合得到应用。该研究成果近日在《自然 通讯》发表。

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,其声速越大,热导率也越大。

研究发现,层状晶体材料二磷化铜(CuP2)具有与经典半导体材料砷化镓(GaAs)相仿的声速,但热导率却低一个数量级。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。研究过程中,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

中科院金属所科研人员利用美国橡树岭国家实验室散裂中子源的衍射仪POWGEN,研究了材料的晶体结构。研究发现,CuP2具有层状结构,P原子构成的网络和Cu原子层交替排列,Cu原子两两形成了孤立的原子对,原子对间距离较远。研究人员利用日本高能同步辐射装置的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的飞行时间谱仪Pelican和热中子三轴谱仪Taipan,选定了三个布里渊区,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,该模式随着温度升高急剧软化,表现出强烈的非简谐性。在色散关系上,发现了反交叉特征,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,尤其是声速高达6243 m s-1的纵向声学声子。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,造成该晶体具有低热导率的直接原因。


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