得益於第一性原理計算工具的普及,近些年來聲子輸運這一兼具工業應用和基礎研究意義的跨學科領域得到了長足的發展。但是,研究對象都局限在電晶體/絕緣體這些非金屬材料,而對金屬中的聲子輸運卻少有涉及。這是因為大家通常認為在金屬中(1)在任意溫度下聲子貢獻的熱導率可以忽略,電子主導熱導率;(2)除了極低溫下,電子-聲子耦合作用導致的電子-聲子散射不會影響聲子輸運性質。
2018年以來通過第一性原理計算發現了跟這兩種認知不同的反常聲子輸運現象。1)波士頓學院Broido教授及合作者研究了四族(Ti,Zr,Hf)和五族(V,Nb,Ta)碳化物[Phys. Rev. Lett. 121,175901(2018)]。四族碳化物的晶格熱導率在室溫達到70W/mK左右;儘管五族碳化物只有30W/mK左右,但在室溫附近電子-聲子散射主導晶格熱導率,並使其具有反常的弱溫度依賴關係。2)李武課題組發現鎢單質的晶格熱導率在室溫高達46W/mK,大概是電子熱導率的三分之一。跟五族碳化物一樣,電子-聲子散射占主導作用,導致晶格熱導率也在相當大的溫度區間內基本不變[Phys. Rev. B 99,020305(Rapid Communication)(2019);npj Comput. Mater. 5,98(2019)https://ias.szu.edu.cn/info/1019/4475.htm]。
最近李武課題組發現:六族碳化物WC的晶格熱導率在室溫可以高達160W/mK,是其電子熱導率的三倍,遠高於四族、五族及其他六族碳化物,在同位素純樣品中,晶格熱導率甚至會進一步提高到250W/ mK。同樣電子-聲子散射占主導作用,使晶格熱導率具有反常的弱溫度依賴關係。研究發現這幾族碳化物迥異的性質跟其電子結構有著顯著的關聯,四族和五族過渡金屬碳化物同屬於立方NbCl結構,四族價電子都處於成鍵態,費米能剛好處於成鍵態和反鍵態的分界點,對應很低的電子態密度(贗帶隙)。而五族多一個價電子,這個價電子處於反鍵態,同時費米能處遠離贗帶隙,電子態密度很大。這樣就導致五族碳化物原子間相互作用小,聲學支聲子頻率低,而光學支聲子振動由碳-碳原子主導,差別不大,這樣在五族碳化物中出現大的聲學支-光學支聲子帶隙,造成了弱聲子-聲子散射。而同時大的電子態密度導致了比四族更大的電子-聲子散射。至於六族碳化物,具有不同的晶體結構(六方結構),儘管比四族多了兩個價電子,但都處於成鍵態,類似於四族,費米能也處於成鍵態和反鍵態的分界點贗帶隙處。這樣六族原子間相互作用比四族和五族都大,在WC中,W原子質量比較大,導致WC中也會出現抑制聲子-聲子散射的大的聲學支-光學支聲子帶隙。而大的相互作用導致了比五族更低的聲子-聲子散射,同時費米麵處在贗帶隙導致了比五族更低的電子-聲子散射,這就是WC的晶格熱導率非常高的原因。而對另外一個六族碳化物MoC,較大的相互作用以及較小的原子質量導致聲學支聲子頻率很高,跟光學支聲子間的帶隙不足以抑制聲子-聲子散射,故晶格熱導率卻只有50 W/mK。
(圖:左圖是WC的電子和聲子熱導率,右圖是電子態密度)
研究結果發表於Materials Today Physics 13,100214(2020),標題為“Anomalously large lattice thermal conductivity in metallic tungsten carbide and its origin in the electronic structure”。論文第一作者為Ashis Kundu博士,合作者包括馬金龍副研究員(現為華中科技大學教師),維也納工業大學的J. Carrete研究員和G. Madsen教授。研究工作受國家自然科學基金和深圳市科創委學科佈局專案資助。
李武研究員2008年以來一直從事聲子輸運的研究工作,與合作者開發的開源軟件ShengBTE(聲BTE)(引用800餘次)使無任何擬合參數的第一性原理計算晶格熱導率的方法成為主流研究工具,為全世界數百個研究組廣泛使用,極大地推動了這一領域的發展。
論文連結:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529320300389