北京航天航空大学材料学院材料物理与化学系赵立东

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日前，由中国科学院和国家自然基金委联合主办的材料领域权威期刊《中国科学：材料》以封面文章的形式发表了北航材料科学与工程学院赵立东教授课题组在低热导材料研究上取得的新进展：《Extremely Low Thermal Conductivity from Bismuth Selenohalides with 1D Soft Crystal Structure》(SCIENCE CHINA Materials, 63 (2020) 1759-1768)，并被《科学》杂志以摘选图片的形式进行了亮点报道 (Science, 368 (2020) 1325) 。
       该研究发现了一类由一维链状晶体结构形成的具有超低本征热导率的化合物BiSeX (X = Br, I) ，采用第一性原理计算、中子衍射、原位球差电镜等结合理论、实验和表征的方法，揭示了一维结构赋予BiSeX超低热导率的传输机制，提供了一种在块体材料中寻找超低热导率材料的新思路。

       具有极端热输运性质的材料在热管理方面具有重要的应用价值，如：电子通讯的散热领域对具有超高热导的材料有迫切需求，与此相反，超低热导材料在隔热和温差发电等领域具有巨大的应用潜力。超高热导率的材料通常具有较为简单的晶体结构、较小的分子质量、较强的成键作用以及较弱的非谐振效应。与之相反，传统的低热导材料通常需要材料具有较为复杂的晶体结构、较大的分子质量、较大的单胞体积和较强的非谐振效应。北航赵立东教授课题组在前期的工作中发现：二维非对称的层状晶体结构材料具有较强的非谐振效应，从而导致了低的热传导(Nature 508 (2014) 373-377)。基于低热导特性，通过调控复杂能带结构优化了电传输特性(Science 351 (2016) 141-144，Science 360 (2018) 778-783，Science 365 (2019) 1418-1424)。通过解决导电和导热的矛盾，逐渐形成了在宽带隙材料中寻找高效热电材料的研究思路，克服了由于窄带隙而引起的高效热电性能局限在窄温域的困难(Science 367 (2020) 1196-1197)。
       该课题组近期的研究兴趣主要集中在：在宽带隙半导体中，通过降低晶体结构的维度筛选低热导率材料，进而利用输运性质的各向异性解决导电和导热的矛盾，开发新型热电材料。研究对比发现IV-VI族化合物中三维立方结构的PbTe、PbSe和SnTe具有较高的热导率。随着晶体结构从三维降低到二维和一维，层间和链间的散射作用抑制了声子传输，从而降低了热导率。对于一维链状结构的BiSeX， Bi和卤素离子X1-的弱成键作用进一步降低了热导率，形成了一维的“软”链状，即在晶体的三个轴向的化学键均为弱结合，表现出近似零维的晶体结构特征。该特殊的结构使BiSeI的热导率接近于理论最小值，达到了~ 0.27 Wm-1 K-1，显著低于众多具有低热传导特征的块体材料。
       为了阐明BiSeX的低热导率机制，采用第一性原理计算、中子衍射、原位球差电镜表征相结合的方法对比研究了二维层状结构的Bi2Se3、一维链状结构的Sb2Se3和BiSeX的晶体结构和成键特性。研究表明，Bi和卤素离子之间具有弱的成键作用，一维链内的弱键结合导致BiSeX具有更强的非谐振效应、较低的声子速度和较大的原子位移(中子衍射和原位球差电镜表征均证实)。该工作提出了一种在具有一维晶体结构的材料中寻找低热传导特性的新思路，在热电材料和热障涂层材料等低热传导需求领域具有广阔的应用前景。
       该工作得到了国家重点研究发展计划 (2018YFA0702100)，国家自然科学基金 (51772012，51632005)，国家杰出青年科学基金 (51925101)，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。