Ekstremt lav varmeledningsevne i 1-D blød kædestruktur

Forskere har rapporteret en ny type simple endimensionelle (1-D) krystalstrukturerede bismuthselenohalider (BiSeX, X =Br, I) med ekstrem lav varmeledningsevne. Undersøgelser af krystalstruktur afslører, at den ultralave termiske ledningsevne skyldes den svækkede kemiske binding i den lavdimensionelle struktur, viser en kvasi-0-D krystalstruktur. Disse resultater giver en ny udvælgelsesregel til at søge efter materialer med lav termisk ledningsevne med potentielle anvendelser i termoelektriske og termiske barrierebelægninger.

De lave termiske transportegenskaber er vigtige for anvendelser i termoelektriske og termiske barrierebelægninger. I dag, strategierne til at opnå lav termisk ledningsevne i bulkmaterialer omfatter multi-skala defekt (atomare, nano- og mesoskala), høj molekylvægt, kompleks krystalstruktur, større enhedscelle og stærk anharmonicitet.

I en nylig artikel i Videnskab Kina materialer , Prof. Li-Dong Zhao fra Beihang Universitet og kolleger foreslog en ny strategi til at søge iboende lav termisk ledningsevne i en-dimensionel krystalstruktur. Ved at bruge de første princips beregninger og eksperimentel syntese, de fandt en type materiale med ekstrem lav varmeledningsevne, BiSeX (X=Br, I) med en endimensionel kædestruktur. Mekanismerne bag den lave termiske ledningsevne blev afsløret fra aspektet af krystalstruktur ved neutronpulver-diffraktionsmålinger og temperaturjusterbar aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM).

For at belyse oprindelsen af ​​ultralav termisk ledningsevne, Forfatterne lavede sammenligninger med flere analoger, der udviser kubisk (3-D), lag- (2-D) og kædelignende (1-D) krystalstrukturer, og fandt ud af, at den termiske ledningsevne viste en faldende tendens fra 3-D, 2-D til 1-D på grund af den kemiske bindingsstyrke mellem den lavdimensionelle struktur bliver gradvist svagere og svagere.

"Baseret på disse retningslinjer, vi fandt ud af, at den kemiske binding langs kæden blev yderligere svækket med tilføjede halogenatomer, " sagde prof. Zhao. Derfor, de kemiske bindinger af BiSeX langs alle tre krystallografiske retninger er svagere end i andre forbindelser, viser en kvasi-0-D krystalstruktur.

Forskellig fra diamanten med ultrahøj termisk ledningsevne (> 2000 W m ^-1 K ^-1 ) med stærke kovalente bindinger mellem kulstofatomer, fonontransporten i bismuthselenohalider var signifikant undertrykt. Som resultat, de udviser ekstremt lav varmeledningsevne. "Den termiske ledningsevne af BiSeI ved 573 K når ~0,27 W m ^-1 K ^-1 , som er tæt på den teoretiske minimumsværdi, " sagde prof. Zhao.

Disse resultater åbner mulighed for at opnå materialer med lav termisk ledningsevne i en endimensionel kædeholdig bulkstruktur med potentielle anvendelser inden for termiske barrierebelægninger, termoelektriske materialer, etc.