6月14日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院耿慧遠(yuǎn)副教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論快報(bào)》（《Physical Review Letters》）上在線發(fā)表了題為“填充率波動(dòng)導(dǎo)致籠式方鈷礦的玻璃樣超低熱導(dǎo)率”的研究成果。該研究被選為當(dāng)期封面文章。2016級(jí)博士生任偉為第一作者。該研究成果為提升熱電材料的熱電性能提供了一個(gè)有效而通用的機(jī)制。
籠式化合物具有許多優(yōu)異的物理特性及用途，比如熱電、超導(dǎo)和拓?fù)浣^緣體等。其中，籠式方鈷礦作為一種“聲子玻璃電子晶體”材料，具有極其優(yōu)異的熱電性能，在航天深空探測、太陽熱能發(fā)電、工業(yè)廢熱和汽車尾氣廢熱回收等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。但是，其晶格熱導(dǎo)率距離無序化極限還很遠(yuǎn)，這說明籠式方鈷礦的熱電性能仍有很大的提升空間。
該成果基于第一性原理計(jì)算和試驗(yàn)研究第一次發(fā)現(xiàn)并直接觀察到籠式方鈷礦中填充原子分布的不均勻性，即填充率波動(dòng)現(xiàn)象。該成果發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)效應(yīng)和納米化均只對(duì)低頻聲子形成有效散射，籠式方鈷礦缺乏有效的中高頻聲子散射機(jī)制。而填充率波動(dòng)導(dǎo)致晶格中產(chǎn)生了不同尺度的應(yīng)變場。定量的聲子輸運(yùn)計(jì)算表明，該應(yīng)變場對(duì)中高頻聲子形成了有效的散射。通過利用填充率波動(dòng)，將籠式方鈷礦的晶格熱導(dǎo)率降低到了無序化極限。這一機(jī)制的發(fā)現(xiàn)和利用，為釋放籠式化合物的“聲子玻璃電子晶體”潛力提供了理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)基礎(chǔ)，將極大地刺激籠式化合物熱電材料的發(fā)展。
耿慧遠(yuǎn)副教授和張麗霞教授為文章的共同通訊作者，其中耿慧遠(yuǎn)副教授負(fù)責(zé)了該項(xiàng)目理論模型以及試驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要部分，張麗霞教授負(fù)責(zé)了本文的微觀結(jié)構(gòu)表征分析部分。該課題是在哈工大“百人計(jì)劃”、先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)支持下完成。
論文鏈接：https：//journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.245901
當(dāng)期鏈接：https：//journals.aps.org/prl/issues/118/24
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