吴立明、陈玲教授课题组：低本征晶格热导率的机理研究

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热电材料作为一种具有潜力的能源材料，近年来在材料、化学、物理研究等多个领域受到广泛关注。然而，较低的能量转换效率制约其能源领域的实际应用，导致热电研究充满了挑战性。故此，对热电现象的理论研究仍需更深层次的探索，理解并掌握材料电热输运的物理本质，对于该领域的进展具有重要的科学研究意义，其中晶格热导率作为唯一独立的热电参数，其重要性不言而喻。
       近期，北京师范大学珠海先进材料研究中心、化学学院吴立明、陈玲教授课题组在碱金属硫属化合物A/M/Q (A = alkali metal; M = Cu, Ag; Q = S, Se, Te)的电热输运研究中取得重要进展：借助吴立明老师早期提出的硼硫化法(J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4676-4681.)，成功合成两例具有超低本征晶格热导率材料CsCu4S3和CsCu4Se3，其中CsCu4Se3在650 K时晶格热导率低至0.20 W/m/K。进而他们从理论上深入分析该类材料的晶体结构，晶格动力学以及声子输运特性，发现该化合物结构中原子均存在高度不对称配位特征，同时具有多重键合作用特点（共价Cu–Se2–，弱共价作用力Cu–Se–，离子静电力Cs–Se2–）。CsCu4Se3的晶体结构由双anti-CaF2构型的[(Cu+)4(Se2–)2](Se–)亚层与NaCl型[(Cs+)(Se2–)]–亚层沿c轴相互交替排列。晶格动力学研究表明CsCu4Se3结构中出现较大的晶格非简谐性主要归因于CuSe亚层与CsSe亚层之间的晶格振动耦合。声子研究结果表明CsCu4Se3具有较低声学波截止频率48 cm–1，其声学支与低频光学支的重叠，分别来自双anti-CaF2构型的[(Cu+)4(Se2–)2](Se–)亚层与NaCl型[(Cs+)(Se2–)]–亚层振动耦合，结合理论计算和实验分析他们揭示了CsCu4Se3极低本征晶格热导率的根源。同时，对A/M/Q系列化合物的弹性模量进行系统地比较分析，发现该类材料具有较低的平均声速va (1770–2130 m/s), 德拜温度θD (111–220 K)，以及杨氏模量E (40–50 Gpa)，表明该类材料具备柔软的晶格框架以及相对较低的晶格热导率，是一类非常有潜力的热电材料。该项工作是他们课题组前期两例高性能热电材料CsAg5Te3 (Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 11431−11436.)、α-CsCu5Se3 (J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 5293−5303.)研究的延续，对A/M/Q系列化合物电热输运结构与性能的构效关系获得了更为深入的认识，有望为固体功能材料的结构设计提供新思路。

       该工作近期被《Journal of the American Chemical Society》杂志接受发表，（Mixed-Valence CsCu4Se3: Large Phonon Anharmonicity Driven by the Hierarchy of the Rigid [(Cu+)4(Se2–)2](Se–) Double Anti-CaF2 Layer and the Soft Cs+ Sublattice. J. Am. Chem. Soc. 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c07629）。《Journal of the American Chemical Society》是综合化学领域的世界顶级学术期刊，和《德国应用化学》一起被公认为化学领域最具影响力的期刊，最新SCI影响因子15.419。
       北京师范大学珠海先进材料研究中心、化学学院为该工作完成单位。该研究得到国家自然科学基金、北师大高层次引进人才基金、北京师范大学珠海自然高等研究院、化学学院、北京市重点实验室、北京市自然科学基金等资金的大力资助，特此感谢。
       原文链接: https://doi.org/10.1021/jacs.1c07629


        


         文章来源：北京师范大学
       吴立明,北京师范大学教授。2004中科院引进海外杰出人才，2006福建省百千万人才，获福建省科学技术奖三等奖（2005，2010）。2004～2014中科院福建物构所研究员，课题组长。2014至今北师大化学院教授。九三学社中央青年工作委员会委员（2015至今）。2002～2004美国Arizona State University博士后，2000～2002年中科院福建物质结构研究所研究所博士后，1999年福州大学博士毕业，1993，1996年分别于北师大化学系本科，硕士毕业。
        陈玲，教授，现任北京师范大学教授，博士生导师。博士毕业于中国科学院福建物质结构研究所，随后在美国衣阿华州立大学化学系从事博士后研究。2012年获国家杰出青年基金,并荣获政府特殊津贴、国家“有突出贡献中青年专家”,入选国家万人计划，福建省第一批“双百计划”科技领军人才、中科院优秀研究生指导教师、卢嘉锡优秀导师等荣誉，主持中国科学院重要方向性项目（首席）等。并且担任美国化学会Crystal Growth and Design杂志副主编（Associate editor）。