保溫瓶的任務(wù)是保持熱量，但有時(shí)人們想要達(dá)到相反的效果：計(jì)算機(jī)芯片會(huì)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(dǎo)熱性能的特殊材料。

深圳大學(xué)高等研究院李武課題組，在高導(dǎo)熱材料探索方面取得重要研究進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)金屬氮化鉭（TaN）具有超高熱導(dǎo)率，在室溫可以高達(dá)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(píng)論快報(bào)》[Phys. Rev. Lett. 126, 115901 (2021)]，標(biāo)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(xué)教師），猶他大學(xué)的馮天力教授，普渡大學(xué)的RUAN Xiulin教授，維也納工業(yè)大學(xué)的J. Carrete研究員和G. Madsen教授。該研究工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金以及深圳市科創(chuàng)委學(xué)科布局項(xiàng)目的資助。

圖：氮化鉭，金剛石，砷化硼和銀的熱導(dǎo)率。

為了能夠識(shí)別這種破紀(jì)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(dǎo)中起作用。基本上，熱量在材料中傳播有兩種載體。首先，電子會(huì)帶走能量，這是良好電導(dǎo)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(dòng)。在非金屬材料，通過這些振動(dòng)的傳播進(jìn)行的熱傳導(dǎo)通常起主導(dǎo)性作用。

電子和聲子都不會(huì)完全不受阻礙地通過材料傳播，有多種機(jī)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(dǎo)。這時(shí)原子的質(zhì)量并不完全相同，這會(huì)影響材料中原子的集體振動(dòng)行為。

盡管我們都有熱金屬板上燙手的日常經(jīng)驗(yàn)，但是金屬通常具有中等的熱導(dǎo)率。已知導(dǎo)熱系數(shù)最高的金屬是銀–僅占最好的導(dǎo)熱材料金剛石導(dǎo)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(jì)算機(jī)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?yàn)閹缀鯖]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(dǎo)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(dǎo)熱性能。因此，θ相的氮化鉭結(jié)合了幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，使其成為一種創(chuàng)紀(jì)錄的材料，其導(dǎo)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(huì)主導(dǎo)熱導(dǎo)率。

這項(xiàng)研究工作是在“金屬中反常聲子輸運(yùn)”這一方向前期工作基礎(chǔ)上的最新研究成果。通常認(rèn)為室溫附近金屬中電子對(duì)熱導(dǎo)率起絕對(duì)主導(dǎo)貢獻(xiàn)，而聲子對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)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(dǎo)率的貢獻(xiàn)高達(dá)46W/m-K，這澄清了其Lorenz數(shù)顯著高于理論值這一長(zhǎng)達(dá)幾十年的疑問。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了其晶格熱導(dǎo)率主要是由電聲相互作用所決定的，這也不同于非簡(jiǎn)諧性限制室溫晶格熱導(dǎo)率的常識(shí)。即便在室溫下電聲耦合也能使熱導(dǎo)率下降80%，并導(dǎo)致其熱導(dǎo)率對(duì)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(yùn)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(duì)稱性要求聲子振動(dòng)頻率在布里淵區(qū)的高對(duì)稱點(diǎn)P和H點(diǎn)三重簡(jiǎn)并，在聲子色散各項(xiàng)同性條件下，在這些點(diǎn)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(dǎo)著材料的晶格熱導(dǎo)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(yùn)行為。李武課題組進(jìn)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(shí)際上這些碳化物的聲子輸運(yùn)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(jià)電子，且都處于成鍵態(tài)，費(fèi)米能也處于成鍵態(tài)和反鍵態(tài)的分界點(diǎn)，對(duì)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(shí)費(fèi)米面處在贗帶隙導(dǎo)致了更低的電子-聲子散射。原子間強(qiáng)相互作用和鎢的大原子質(zhì)量（相對(duì)于鉬）造成了大的聲學(xué)支-光學(xué)支聲子帶隙，這進(jìn)一步抑制了聲子-聲子散射。最終導(dǎo)致碳化鎢（WC）的晶格熱導(dǎo)率在室溫可以高達(dá)160W/mK，是電子熱導(dǎo)率的三倍，遠(yuǎn)高于其他碳化物。

上述工作表明電子結(jié)構(gòu)跟價(jià)電子個(gè)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?jī)r(jià)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(dǎo)率。

李武課題組在“反常聲子輸運(yùn)”方面的另外一個(gè)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(jī)制[Materials Today Physics XX, 100315 (2020)，https://ias.szu.edu.cn/info/1019/5777.htm]。主導(dǎo)石墨烯熱導(dǎo)率的ZA聲子由于反射對(duì)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(huì)影響石墨烯的聲子輸運(yùn)性質(zhì)。但由其他聲學(xué)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(dǎo)率即便在室溫也能下降高達(dá)21%。這種獨(dú)特的間接電聲作用只所以會(huì)起有效作用，是因?yàn)槭┑娜曌由⑸溆蓜?dòng)量守恒的normal過程主導(dǎo)。

李武研究員2008年以來一直從事聲子輸運(yùn)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(wú)任何擬合參數(shù)的第一性原理計(jì)算晶格熱導(dǎo)率的方法成為主流研究工具，為全世界數(shù)百個(gè)研究組廣泛使用，極大地推動(dòng)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）