中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門戶網(wǎng)訊 中科院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（CuP₂）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。

據(jù)介紹，研究發(fā)現(xiàn)層狀晶體材料二磷化銅（CuP₂）具有與經(jīng)典半導(dǎo)體材料砷化鎵（GaAs）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源于Cu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。

中科院金屬所科研人員利用美國(guó)橡樹嶺國(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)。CuP₂具有層狀結(jié)構(gòu)，P原子構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)和Cu原子層交替排列。Cu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序，從而排除了原子無序?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，Cu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11 meV，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（聲速高達(dá)6243 m s^-1）。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。

CuP₂晶體的熱導(dǎo)率和晶體結(jié)構(gòu)。a. CuP₂與其它不存在原子無序的化合物的對(duì)比。b. CuP₂單晶的熱導(dǎo)率。c. CuP₂的晶體結(jié)構(gòu)。d.略去P原子的晶體結(jié)構(gòu)。

CuP₂的晶格非諧性。a.不同溫度下的聲子態(tài)密度。b.第一性原理計(jì)算的聲子態(tài)密度。c.（022）布里淵區(qū)的聲子色散關(guān)系，其中11 meV處的模式即為rattling模。d-f.不同波矢和溫度下的聲子譜，其中隨溫度升高急劇軟化的模即為rattling模。