这篇Science，把绝热材料做到极致！

纳米人

2021-08-16

第一作者：Quinn D. Gibson

通讯作者：Matthew J. Rosseinsky, Jonathan Alaria

通讯作者单位：英国利物浦大学

主要内容

晶化材料的热导率由于声子色散作用受到限制，因此显著影响材料的导热，作者通过互补性策略，抑制层状材料中的纵向声子、横向声子对导热作用的贡献，实现了对不同类型化学界面的层状材料导热效应进行调控。具体的作者分别在BiOCl、Bi₂O₂Se中实现了对纵模、横模进行调控，随后在组成的块体超晶格材料Bi₄O₄SeCl₂单晶结构中通过两种界面均匀排列，在室温条件实现了超低的导热率（0.1 W K^-1 m^-1），这个导热率是目前无机固体材料中最低的，数值仅仅是空气导热率的4倍。这种优异的性质来自于从原子精确度控制声子的色散。作者从实验上验证发现在空间上进行不同界面的规则排列可实现不同方向振动模的协同调控，因此实现导热率的显著降低。

晶格热导率κ（Lattice thermal conductivity）是固体材料的固有性质，因此研究者一直尝试将晶格热导率κ的数值变化区间尽量放大，电子学器件要求材料具有较高的κ用于降低热富集效应，碳纳米管等碳材料是非常好的选择，引入同位素能够抑制晶格振动声子携带的热量；在涡轮叶片上修饰阻热包覆层的过程需要材料具有较低的κ从而保持温度梯度，其中比二氧化硅玻璃导热（0.9 W K^-1 m^-1）更低的材料具有非常重要的意义。在低导热材料区间存在多种不同的热物理学机理，发展新材料、揭示其中有趣的物理学效应与原子排列结构之间的关系，以及其原子间的成键情况对κ的影响。

图1. Bi₄O₄SeCl₂中实现多方向抑制导热示意图。

材料设计

大量的相关研究通过本征纳米结构、缺陷结构实现降低声子色散长度，从而能够进一步降低导热率较低材料的导热性能，但是这种方法存在极限，当声子色散的长度达到波长的一半，声子就不能再称为声子，因此进一步调控声子色散需要从晶格和晶胞角度进行调控。

层状晶体材料能够以模块化的方法进行搭建，因此能够通过相邻层之间建立异质结从而调控材料性质，通过建立模型能够对层状晶体中的各项异性化学键对导热性能影响进行研究。

作者展示了相邻层的排列情况如何选择性的对纵向声子、横向声子进行调控，通过化学键、离子半径的不平衡实现降低其对于导热的贡献。这种不均匀的化学键能够显著调控声子色散并且降低导热，通过离子半径的不均匀能够进一步降低导热。由于晶格中的BiOCl、Bi₂O₂Se组分的成键，导致分别沿着两个相互垂直的方向具有低速声子，分别沿着两个方向有效的降低热量在固体中的传导，因此材料在整体上的导热作用比单一组分的效果更好。

图2. BiOCl的各项异性导热性质。

组成为 (Bi₂O₂)_mX_n的层状材料由强键合能力Bi₂O₂²⁺阳离子层与阴离子X层堆叠形成，其中X=Cl时，晶体结构中BiOCl层以较强的Bi-Cl键作为终端化学键，相邻BiOCl层之间以Cl^…Cl vdW较弱的作用力进行相互作用，因此BiOCl堆叠过程中相邻层之间分别存在强键相互作用界面、弱键相互作用界面，导致较高的各项异性导热效应。作者通过对BiOCl在不同方向上的导热作用分别测试，验证了材料中的各项异性导热效应。

图3. Bi₂O₂Se的非各向异性导热性质。

同时，作者发现Bi₂O₂Se材料的键合作用导致二维结构的vdW能带消除，因为Se与相隔Bi₂O₂²⁺形成结构对称的化学键，因此材料不再表现出区别显著的化学键，不会表现较高的各向异性导热。同时Bi₂O₂²⁺结构具有较强的成键，同时Bi₂O₂²⁺和Se^2-之间容易产生畸变，因此能够对化学异质性有较高的容忍性。

图4. Bi₂O₂Se+BiOCl实现协同抑制导热。

随后，作者将两种材料的特性结合，合成了Bi₄O₄SeCl₂。通过两种结构单元的特性相结合，实现了两个不同方向上都对导热产生抑制作用。

意义

目前全球超过70 %产生的能量以无法利用的热量形式释放，低导热性材料对于降低无效热量耗散非常关键，发展新型高效率热电材料能够更好的将热能转化为电能，这对于发展清洁能源非常有必要。

本文发展的材料是目前无机固体材料中导热性能最差的，甚至达到空气的导热性能类似。该项研究结果的发现，能够用于回收废弃热量的热电器件、高性能燃气轮机的绝热包裹材料。该项研究发现能够促进通过原子结构调控改进材料的性质，此外该项研究将有助于其他物理学性质的发展，比如磁性、超导性，可能应用于低功率计算、提高导电效率等领域。

一键直达原文-->