還記得高中課本上這張圖嗎？

一只小貓蹲在用火燒烤的“玻璃板”上

小貓卻安然無恙

這當(dāng)然不是一塊普通的玻璃板

而是一塊低熱導(dǎo)材料

這類具有極端熱輸運(yùn)性質(zhì)的材料

在許多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用

其制備也是重要研究方向之一

日前，北航材料學(xué)院趙立東教授課題組

給塊體材料結(jié)構(gòu)降維，讓熱傳導(dǎo)慢下來

取得低熱導(dǎo)材料研究新進(jìn)展

成果被中外兩大高水平期刊報道

既是我國材料領(lǐng)域首屈一指的期刊

《中國科學(xué)：材料》的封面文章

也被《科學(xué)》雜志亮點報道

《中國科學(xué)：材料》期刊封面。Science China Materials （簡稱SCMs，英文月刊），創(chuàng)刊于2014年底，是《中國科學(xué)》系列期刊之一，由中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委員會聯(lián)合主辦，《中國科學(xué)》雜志社出版，并與Springer出版集團(tuán)合作面向海外發(fā)行。

日前，由中國科學(xué)院和國家自然基金委聯(lián)合主辦的材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《中國科學(xué)：材料》以封面文章的形式發(fā)表了北航材料科學(xué)與工程學(xué)院趙立東教授課題組在低熱導(dǎo)材料研究上取得的新進(jìn)展：《Extremely Low Thermal Conductivity from Bismuth Selenohalides with 1D Soft Crystal Structure》(SCIENCE CHINA Materials, 63 (2020) 1759-1768)，并被《科學(xué)》雜志以摘選圖片的形式進(jìn)行了亮點報道 (Science, 368 (2020) 1325) (圖 1)。

第一作者：王東洋（北航2017級博士研究生），黃志偉（北航卓百博士后）

通訊作者：趙立東

第一單位：北京航空航天大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院

圖1.《科學(xué)》雜志通過選圖亮點報道 (Science, 368 (2020) 1325).

該研究發(fā)現(xiàn)了一類由一維鏈狀晶體結(jié)構(gòu)形成的具有超低本征熱導(dǎo)率的化合物BiSeX (X = Br, I) (圖 2)，采用第一性原理計算、中子衍射、原位球差電鏡等結(jié)合理論、實驗和表征的方法，揭示了一維結(jié)構(gòu)賦予BiSeX超低熱導(dǎo)率的傳輸機(jī)制，提供了一種在塊體材料中尋找超低熱導(dǎo)率材料的新思路。

圖2.(a)BiSeI的一維鏈狀晶體結(jié)構(gòu)，(b)STEM下BiSeI材料中的納米線結(jié)構(gòu)

具有極端熱輸運(yùn)性質(zhì)的材料在熱管理方面具有重要的應(yīng)用價值，如：電子通訊的散熱領(lǐng)域?qū)哂谐邿釋?dǎo)的材料有迫切需求，與此相反，超低熱導(dǎo)材料在隔熱和溫差發(fā)電等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。超高熱導(dǎo)率的材料通常具有較為簡單的晶體結(jié)構(gòu)、較小的分子質(zhì)量、較強(qiáng)的成鍵作用以及較弱的非諧振效應(yīng)。與之相反，傳統(tǒng)的低熱導(dǎo)材料通常需要材料具有較為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)、較大的分子質(zhì)量、較大的單胞體積和較強(qiáng)的非諧振效應(yīng)。北航趙立東教授課題組在前期的工作中發(fā)現(xiàn)：二維非對稱的層狀晶體結(jié)構(gòu)材料具有較強(qiáng)的非諧振效應(yīng)，從而導(dǎo)致了低的熱傳導(dǎo)(Nature 508 (2014) 373-377)?；诘蜔釋?dǎo)特性，通過調(diào)控復(fù)雜能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化了電傳輸特性(Science 351 (2016) 141-144，Science 360 (2018) 778-783，Science 365 (2019) 1418-1424)。通過解決導(dǎo)電和導(dǎo)熱的矛盾，逐漸形成了在寬帶隙材料中尋找高效熱電材料的研究思路，克服了由于窄帶隙而引起的高效熱電性能局限在窄溫域的困難(Science 367 (2020) 1196-1197)。

該課題組近期的研究興趣主要集中在：在寬帶隙半導(dǎo)體中，通過降低晶體結(jié)構(gòu)的維度篩選低熱導(dǎo)率材料，進(jìn)而利用輸運(yùn)性質(zhì)的各向異性解決導(dǎo)電和導(dǎo)熱的矛盾，開發(fā)新型熱電材料。研究對比發(fā)現(xiàn)IV-VI族化合物中三維立方結(jié)構(gòu)的PbTe、PbSe和SnTe具有較高的熱導(dǎo)率。隨著晶體結(jié)構(gòu)從三維降低到二維和一維，層間和鏈間的散射作用抑制了聲子傳輸，從而降低了熱導(dǎo)率。對于一維鏈狀結(jié)構(gòu)的BiSeX， Bi和鹵素離子X1-的弱成鍵作用進(jìn)一步降低了熱導(dǎo)率，形成了一維的“軟”鏈狀，即在晶體的三個軸向的化學(xué)鍵均為弱結(jié)合，表現(xiàn)出近似零維的晶體結(jié)構(gòu)特征。該特殊的結(jié)構(gòu)使BiSeI的熱導(dǎo)率接近于理論最小值，達(dá)到了~ 0.27 Wm-1 K-1，顯著低于眾多具有低熱傳導(dǎo)特征的塊體材料(圖3)。

圖3. (a) IV-VI族化合物的熱導(dǎo)率隨著晶體結(jié)構(gòu)的維度從三維、二維到一維逐漸降低，一維 “軟”鏈狀結(jié)構(gòu)使BiSeX (X = Br, I)具有更低的熱導(dǎo)率；(b) BiSeX (X = Br, I)的熱導(dǎo)率顯著低于眾多低熱導(dǎo)材料，接近于理論最小值；為了闡明BiSeX的低熱導(dǎo)率機(jī)制，采用第一性原理計算、中子衍射、原位球差電鏡表征相結(jié)合的方法對比研究了二維層狀結(jié)構(gòu)的Bi2Se3、一維鏈狀結(jié)構(gòu)的Sb2Se3和BiSeX的晶體結(jié)構(gòu)和成鍵特性(圖4)。

研究表明，Bi和鹵素離子之間具有弱的成鍵作用，一維鏈內(nèi)的弱鍵結(jié)合導(dǎo)致BiSeX具有更強(qiáng)的非諧振效應(yīng)、較低的聲子速度和較大的原子位移(中子衍射和原位球差電鏡表征均證實)。該工作提出了一種在具有一維晶體結(jié)構(gòu)的材料中尋找低熱傳導(dǎo)特性的新思路，在熱電材料和熱障涂層材料等低熱傳導(dǎo)需求領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖4.(a, d) 二維Bi2Se3、(b, e) 一維Sb2Se3以及 (c, f) 一維BiSeI的低維結(jié)構(gòu)示意圖和相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)。(g-i) 分別是Bi2Se3, Sb2Se3和BiSeI的晶體結(jié)構(gòu)。(j-l) 分別是沿著鏈方向的投影電子局域函數(shù)(ELF)。電子局域函數(shù)的等值面設(shè)置為0.9

該工作得到了國家重點研究發(fā)展計劃 (2018YFA0702100)，國家自然科學(xué)基金 (51772012，51632005)，國家杰出青年科學(xué)基金 (51925101)，北京市杰出青年科學(xué)基金(JQ18004)，中國博士后科學(xué)基金 (2019M650429) 以及教育部111引智計劃 (B17002) 的共同資助。

從前文的介紹中不難看出

趙立東教授課題組

已經(jīng)多次發(fā)表Nature、Science等頂級期刊了

研究成果解決國際難題

厲害了！

一起再認(rèn)識一下

這次研究成果的作者吧

趙立東

北京航空航天大學(xué)

材料科學(xué)與工程學(xué)院

教授、博士生導(dǎo)師

2014年入職北航卓越百人計劃；2016年北京市師德先鋒；2017年國際熱電學(xué)會青年科學(xué)家；2018年北京市杰青項目獲得者；2018年度長江學(xué)者特聘教授；2019年國家杰青項目獲得者；2019年全球高被引學(xué)者。主要研究興趣：開發(fā)寬帶隙高效熱電材料，并利用其各向異性解耦熱傳輸和電傳輸?shù)拿堋?/p>

王東洋

北京航空航天大學(xué)

博新計劃博士后

2014年和2017年分別獲得河南師范大學(xué)物理學(xué)專業(yè)理學(xué)學(xué)士和理學(xué)碩士學(xué)位。2020年6月博士畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，師從趙立東教授，獲得工學(xué)博士學(xué)位。2020年度博新計劃獲得者。主要從事熱電輸運(yùn)性質(zhì)的物理機(jī)制研究以及新型高性能熱電材料的設(shè)計和篩選，已發(fā)表SCI論文10篇（其中第一作者5篇）。

黃志偉

北京航空航天大學(xué)

材料科學(xué)與工程學(xué)院

北航卓越百人博士后

2011年本科畢業(yè)于吉林大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，獲得工學(xué)學(xué)士學(xué)位。2018年1月博士畢業(yè)于中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所物理化學(xué)專業(yè)，師從姜鵬研究員、包信和院士，獲得理學(xué)博士學(xué)位。2018年3月進(jìn)入北京航空航天大學(xué)從事博士后研究工作，師從趙立東教授。主要研究硒化鉛基熱電材料，目前在熱電材料領(lǐng)域共發(fā)表SCI論文12篇，申請國家發(fā)明專利2項。