保溫瓶的任務(wù)是保持熱量，但有時人們想要達到相反的效果：計算機芯片會產(chǎn)生熱量，必須盡快散發(fā)熱量，以免溫度過高損壞芯片。這需要具有良好的導熱性能的特殊材料。
深圳大學高等研究院李武課題組，在高導熱材料探索方面取得重要研究進展。他們發(fā)現(xiàn)金屬氮化鉭（TaN）具有超高熱導率，在室溫可以高達1000W/mK，這高于任何其他已知的金屬材料。研究結(jié)果發(fā)表于《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 126, 115901 (2021)]，標題為“Ultrahigh Thermal Conductivity of θ-Phase Tantalum Nitride”。論文第一作者為課題組Ashis Kundu博士，通訊作者為李武研究員，合作者包括楊小龍博士，馬金龍副研究員（現(xiàn)為華中科技大學教師），猶他大學的馮天力教授，普渡大學的RUAN Xiulin教授，維也納工業(yè)大學的J. Carrete研究員和G. Madsen教授。該研究工作受到了國家自然科學基金以及深圳市科創(chuàng)委學科布局項目的資助。
圖：氮化鉭，金剛石，砷化硼和銀的熱導率。
為了能夠識別這種破紀錄的材料，他們首先必須分析在原子層面上哪些過程在此類材料的熱傳導中起作用?；旧?，熱量在材料中傳播有兩種載體。首先，電子會帶走能量，這是良好電導體中的主要載體。其次，通過聲子，也就是材料中的集體晶格振動。在非金屬材料，通過這些振動的傳播進行的熱傳導通常起主導性作用。
電子和聲子都不會完全不受阻礙地通過材料傳播，有多種機制可以減慢熱能的傳播。電子和聲子可以相互作用，可以互相散射，它們也可以被材料中的不規(guī)則物質(zhì)阻止。在某些情況下，元素的不同同位素共存甚至可以極大地限制熱傳導。這時原子的質(zhì)量并不完全相同，這會影響材料中原子的集體振動行為。
盡管我們都有熱金屬板上燙手的日常經(jīng)驗，但是金屬通常具有中等的熱導率。已知導熱系數(shù)最高的金屬是銀–僅占最好的導熱材料金剛石導熱系數(shù)的一小部分。但是鉆石很昂貴，而且很難加工。
通過詳盡的理論分析和計算機模擬，李武課題組和合作者最終成功地確定了氮化鉭的六方晶系θ相這樣一種合適的材料。鉭是特別有利的，因為幾乎沒有任何不同的同位素。天然鉭中幾乎有99.99％是同位素鉭181。氮化鉭的六方晶系θ相具有金屬性，其特殊的聲子色散和電子結(jié)構(gòu)抑制了導熱聲子與其他聲子以及電子的相互作用，而正是這些相互作用抑制了其他材料中的導熱性能。因此，θ相的氮化鉭結(jié)合了幾個重要的優(yōu)點，使其成為一種創(chuàng)紀錄的材料，其導熱系數(shù)是銀的幾倍，可與金剛石媲美。值得注意的是，在氮化鉭中傳熱的主要載體是聲子，而通常金屬中電子會主導熱導率。
這項研究工作是在“金屬中反常聲子輸運”這一方向前期工作基礎(chǔ)上的最新研究成果。通常認為室溫附近金屬中電子對熱導率起絕對主導貢獻，而聲子對熱導率的貢獻可以忽略。而李武課題組發(fā)現(xiàn)了在單質(zhì)金屬鎢中，晶格熱導率的貢獻高達46W/m-K，這澄清了其Lorenz數(shù)顯著高于理論值這一長達幾十年的疑問。同時發(fā)現(xiàn)了其晶格熱導率主要是由電聲相互作用所決定的，這也不同于非簡諧性限制室溫晶格熱導率的常識。即便在室溫下電聲耦合也能使熱導率下降80%，并導致其熱導率對溫度弱的依賴關(guān)系[Phys. Rev. B 99, 020305 (Rapid Communications) (2019)；npj Comput. Mater. 5, 98 (2019)https://ias.szu.edu.cn/info/1019/4475.htm]。金屬鎢的反常聲子輸運行為跟其單質(zhì)體心立方結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。在單質(zhì)體心立方結(jié)構(gòu)中，晶體的空間群對稱性要求聲子振動頻率在布里淵區(qū)的高對稱點P和H點三重簡并，在聲子色散各項同性條件下，在這些點散射通道被完全抑制。
稍早于李武課題組關(guān)于金屬鎢的研究，Broido課題組發(fā)現(xiàn)不同于四族過渡金屬碳化物，五族碳化物里電聲耦合散射也主導著材料的晶格熱導率[Phys. Rev. Lett. 121, 175901 (2018)]，四族和五族碳化物的聲子色散和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)完全不同，造成了五族碳化物的反常聲子輸運行為。李武課題組進一步研究發(fā)現(xiàn)這些過渡金屬碳化物的聲子色散和電子結(jié)構(gòu)之間存在關(guān)聯(lián)，也意味著實際上這些碳化物的聲子輸運性質(zhì)完全取決于電子結(jié)構(gòu)[Materials Today Physics 13, 100214 (2020)https://ias.szu.edu.cn/info/1019/5344.htm]。具有不同晶體結(jié)構(gòu)的六族碳化物具有更多的價電子，且都處于成鍵態(tài)，費米能也處于成鍵態(tài)和反鍵態(tài)的分界點，對應(yīng)贗帶隙具有很小的態(tài)密度。這樣六族原子間相互作用比四族和五族都大，同時費米面處在贗帶隙導致了更低的電子-聲子散射。原子間強相互作用和鎢的大原子質(zhì)量（相對于鉬）造成了大的聲學支-光學支聲子帶隙，這進一步抑制了聲子-聲子散射。最終導致碳化鎢（WC）的晶格熱導率在室溫可以高達160W/mK，是電子熱導率的三倍，遠高于其他碳化物。
上述工作表明電子結(jié)構(gòu)跟價電子個數(shù)緊密相關(guān)，受此啟發(fā)，李武課題組研究跟六族碳化物具有相同數(shù)目價電子的五族氮化物，并最終成功找到TaN這一化合物，其具有比WC更低的電子及同位素散射，最終具有超高的晶格熱導率。
李武課題組在“反常聲子輸運”方面的另外一個工作是發(fā)現(xiàn)石墨烯中存在一種“間接的電聲相互作用”機制[Materials Today Physics XX, 100315 (2020)，https://ias.szu.edu.cn/info/1019/5777.htm]。主導石墨烯熱導率的ZA聲子由于反射對稱性限制并不能被電子直接散射，因此人們并不期待電聲散射作用會影響石墨烯的聲子輸運性質(zhì)。但由其他聲學支（TA和LA）聲子作為媒介的ZA聲子和電子之間的間接耦合作用能夠使得石墨烯的熱導率即便在室溫也能下降高達21%。這種獨特的間接電聲作用只所以會起有效作用，是因為石墨烯的三聲子散射由動量守恒的normal過程主導。
李武研究員2008年以來一直從事聲子輸運的研究工作，與合作者開發(fā)的開源軟件ShengBTE（聲BTE）（引用1000余次；http://www.shengbte.org/）使無任何擬合參數(shù)的第一性原理計算晶格熱導率的方法成為主流研究工具，為全世界數(shù)百個研究組廣泛使用，極大地推動了微納尺度傳熱和熱電材料等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。
本工作論文鏈接：
Kundu, Yang, Ma, Feng, Carrete, Ruan, Madsen, and Li, Phys. Rev. Lett. 126, 115901 (2021)
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.115901
前期工作論文鏈接：
[1] Chen, Ma and Li, Phys. Rev. B 99, 020305(Rapid Communications) (2019)
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.99.020305
[2] Chen, Ma, Wen and Li, npj Computational Materials 5, 98 (2019)
https://www.nature.com/articles/s41524-019-0235-7
[3] Kundu, Ma, Carrete, Madsen and Li, Mater. Today Phys. 13, 100214 (2020)
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542529320300389
[4] Yang, Jena, Meng, Wen, Ma, X. Li and W. Li, Mater. Today Phys. xx, 100315 (2021)
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542529320301395
（高等研究院 供稿）
