熱傳導(dǎo)是固體材料的基本物性之一。高熱導(dǎo)率材料在制冷系統(tǒng)散熱、電子元器件熱管理等方面具有重要應(yīng)用，而低熱導(dǎo)率材料則常常用來構(gòu)建絕熱環(huán)境。電子、磁振子、晶格均可導(dǎo)熱，晶格作為固體材料最基本的導(dǎo)熱載體，其熱導(dǎo)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。顯然，聲速越大，熱導(dǎo)率也越大。
金屬所沈陽材料科學(xué)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一同發(fā)現(xiàn)，層狀晶體CuP2具有與經(jīng)典半導(dǎo)體材料GaAs相仿的聲速，但熱導(dǎo)率卻低一個數(shù)量級，室溫下約為4 Wm-1K-1，如圖1所示。針對這一反常行為，科研人員利用非彈性中子散射技術(shù)系統(tǒng)研究了該晶體的晶格動力學(xué)，從原子層次揭示了這一反常行為來源于Cu原子對的弱鍵合局域振動模式（rattling振動模）。10月15日，這一研究結(jié)果以“Dimer rattling mode induced low thermal conductivity in an excellent acoustic conductor”為題發(fā)表于Nature Communications（doi: 10.1038/s41467-020-19044-w）。
利用美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源（SNS）的衍射儀POWGEN，金屬所科研人員研究了材料的晶體結(jié)構(gòu)。CuP2具有層狀結(jié)構(gòu)，P原子構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)和Cu原子層交替排列。特別地，Cu原子兩兩形成了孤立的原子對，原子對間距離較遠(yuǎn)，如圖1c和d所示。利用日本高能同步輻射裝置（SPring-8）的BL04B2譜儀，獲得了材料的對分布函數(shù)，分析表明該體系不存在原子無序，從而排除了原子無序?qū)β曌拥纳⑸渥饔谩？蒲腥藛T生長了大塊單晶，綜合運(yùn)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(qū)，系統(tǒng)研究了材料的晶格動力學(xué)，實(shí)驗(yàn)得到的色散關(guān)系與第一性原理計算結(jié)果完全吻合。在晶格動力學(xué)上，Cu原子對呈現(xiàn)弱鍵合局域振動模式，原子振動方向如圖1c和d中的箭頭所示。該模式在低溫下頻率約為11 meV，隨著溫度升高，急劇軟化，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非簡諧性，如圖2所示。在色散關(guān)系上，發(fā)現(xiàn)了反交叉（anti-crossing）特征，表明這種弱鍵合局域振動模式強(qiáng)烈散射縱向聲學(xué)聲子。由于聲學(xué)聲子是導(dǎo)熱的主要參與者，尤其是縱向聲學(xué)聲子（聲速高達(dá)6243 m s-1）。因此，該模式對縱向聲學(xué)聲子的散射導(dǎo)致較低的聲子壽命，抵消了高聲速對熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)，這是造成該晶體具有低熱導(dǎo)率的直接原因。
非彈性中子散射技術(shù)是目前測量原子晶格色散關(guān)系最有力、最直接的手段。借助該技術(shù)，在本項研究中科研人員呈現(xiàn)了完整的晶格動力學(xué)圖像，為深入理解材料的反常熱傳導(dǎo)行為提供了保證。常規(guī)的低熱導(dǎo)率材料往往伴隨著低聲速，即低彈性模量，因此材料較軟；與之形成鮮明對比，CuP2晶體兼具高聲速和低熱導(dǎo)率，有望在要求材料同時具有良好剛性和絕熱性的場合得到應(yīng)用。
本工作研究思路由功能材料與器件研究部的李昺研究員和張志東研究員提出，第一作者為2019級博士生齊跡，通訊作者為李昺研究員和ANSTO 的Dehong Yu博士。功能材料與器件研究部任衛(wèi)軍研究員、楊騰副研究員，以及在讀博士生董寶娟、張召、張哲等參與了該項研究。參與此項工作的還有中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所姜小明副研究員、蘭州大學(xué)柴國志教授、南方科技大學(xué)何佳清教授、澳大利亞核科技組織的Sergey Danilkin博士、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源的張強(qiáng)博士、日本高能同步輻射裝置的Koji Ohara博士、日本國立物質(zhì)材料研究所的Osami Sakata博士和陳艷娜博士、美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Jianshi Zhou教授、美國加州大學(xué)河濱分校Xi Chen助理教授等?！ ?/p>
本工作得到了國家自然科學(xué)基金（11934007，11804346）、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計劃“從0到1”項目（ZDBS-LY-JSC002）和遼寧省“興遼英才計劃”項目（XLYC1807122）的資助，也得到了SNS（IPTS-21435.1）、SPring-8（2019A1249）和ANSTO（P7373）的大科學(xué)裝置機(jī)時支持。
圖1：CuP2晶體的熱導(dǎo)率和晶體結(jié)構(gòu)。a. CuP2與其它不存在原子無序的化合物的對比。b. CuP2單晶的熱導(dǎo)率。c. CuP2的晶體結(jié)構(gòu)。d. 略去P原子的晶體結(jié)構(gòu)
圖2：CuP2的晶格非諧性。a.不同溫度下的聲子態(tài)密度。b. 第一性原理計算的聲子態(tài)密度。c. （022）布里淵區(qū)的聲子色散關(guān)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。
