金屬所等發現弱鍵合局域振動模導致的反常熱傳導性質

　　熱傳導是固體材料的基本物性之一。高熱導率材料在制冷系統散熱、電子元器件熱管理等方面具有重要應用，低熱導率材料常用來構建絕熱環境。電子、磁振子、晶格均可導熱，晶格作為固體材料基本的導熱載體，其熱導率由公式描述，其中，C為固體比熱、為聲子聲速和為聲子壽命；由該公式可知，聲速越大，熱導率越大。

　　中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心功能材料與器件研究部的科研人員與合作者發現，層狀晶體CuP₂具有與經典半導體材料GaAs相仿的聲速，但是熱導率低一個數量級，室溫下約為4 Wm^-1K^-1，（圖1）。針對該反常行為，科研人員利用非彈性中子散射技術，系統研究該晶體的晶格動力學，從原子層次揭示該反常行為來自Cu原子對的弱鍵合局域振動模式（rattling振動模）。

　　利用美國橡樹嶺國家實驗室散裂中子源（SNS）的衍射儀POWGEN，金屬所科研人員研究材料的晶體結構。CuP₂具有層狀結構，P原子構成的網絡和Cu原子層交替排列；Cu原子兩兩形成孤立的原子對，原子對間距離較遠（圖1c和1d）。利用日本高能同步輻射裝置（SPring-8）的BL04B2譜儀，獲得材料的對分布函數，分析表明，該體系不存在原子無序，從而排除原子無序對聲子的散射作用。科研人員生長大塊單晶，綜合運用澳大利亞核科技組織（ANSTO）的飛行時間譜儀Pelican和熱中子三軸譜儀Taipan，選定（200）、（022）和（111）三個布里淵區，系統研究材料的晶格動力學，實驗得到的色散關系與第一性原理計算結果吻合。在晶格動力學上，Cu原子對呈現弱鍵合局域振動模式，原子振動方向如圖1c和1d中的箭頭所示。該模式在低溫下頻率約為11 meV，隨溫度升高，急劇軟化，表現出強烈的非簡諧性（圖2）。在色散關系上，科研人員發現反交叉（anti-crossing）特征，表明該弱鍵合局域振動模式強烈散射縱向聲學聲子。由于聲學聲子是導熱的主要參與者，尤其是縱向聲學聲子（聲速高達6243 m s^-1）。因此，該模式對縱向聲學聲子的散射導致較低的聲子壽命、抵消高聲速對熱導率的貢獻，是造成該晶體具有低熱導率的直接原因。

　　目前，非彈性中子散射技術是測量原子晶格色散關系有力、直接的手段。借助該技術，科研人員呈現出完整的晶格動力學圖像，有利于深入理解材料的反常熱傳導行為。常規的低熱導率材料伴隨低聲速（即低彈性模量），因此，材料較軟；CuP₂晶體兼具高聲速和低熱導率，有望在要求材料兼具良好剛性和絕熱性的場合得到應用。

　　研究工作的思路由功能材料與器件研究部研究員李昺和張志東提出，金屬所2019級博士生齊跡為論文第一作者，李昺和ANSTO博士Dehong Yu為論文的通訊作者。功能材料與器件研究部研究員任衛軍、副研究員楊騰，以及在讀博士生董寶娟、張召、張哲等參與該研究。參與該研究工作的還有中科院福建物質結構研究所副研究員姜小明、蘭州大學教授柴國志、南方科技大學教授何佳清、ANSTO博士Sergey Danilkin、美國橡樹嶺國家實驗室散裂中子源博士張強、日本高能同步輻射裝置博士Koji Ohara、日本國立物質材料研究所博士Osami Sakata和陳艷娜、美國得克薩斯大學奧斯汀分校教授Jianshi Zhou，以及美國加州大學河濱分校助理教授Xi Chen等。　　

　　近期，相關研究成果以Dimer rattling mode induced low thermal conductivity in an excellent acoustic conductor為題，發表在Nature Communications上。研究工作獲得國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究計劃“從0到1”項目和遼寧省“興遼英才計劃”項目的資助，并得到SNS、SPring-8和ANSTO的大科學裝置機時支持。

圖1.CuP₂晶體的熱導率和晶體結構。a.CuP₂與其他不存在原子無序的化合物的對比。b.CuP₂單晶的熱導率。c.CuP₂的晶體結構。d.略去P原子的晶體結構

　　圖2.CuP₂的晶格非諧性。a.不同溫度下的聲子態密度。b.第一性原理計算的聲子態密度。c.（022）布里淵區的聲子色散關系

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