The Innovation Energy | 利用中子散射技术研究极低热导率热电材料的进展

声子作为科研工作者最早接触的准粒子之一，其诱发的奇异物性及相关调控一直是凝聚态物理领域的研究重点。20世纪50年代以来热电转换基础理论的建立和逐步完善不仅让热电材料的研究引起了科研及工业界的极大兴趣，也为精细化研究和利用声子提供了新的契机。热电效应起源于材料内部自由移动载流子的导电性和导热性。当材料的一端被加热而另一端保持较冷时，这种温度梯度会促使载流子从热端向冷端迁移，在传导热量的同时产生电流。相反地，如果在材料两端施加电压，载流子将在电场作用下定向移动，同时带走热量，这一过程可用于实现制冷效果。因此，热电材料不仅能够将废热直接转化为电能，还能够在没有活动部件的情况下提供冷却解决方案，展现出了其在能源利用和环境控制领域中的巨大潜力。

作为凝聚态物质体系，热电材料的物理性质和现象本质建立于原子理论的基础之上。其中首要的问题是明确这些材料的内部精细结构，这对实验研究构成了巨大挑战。中子因其电中性和低能量等內禀特性再结合现代散射方法和技术的发展，已成为研究凝聚态物质不可或缺的工具之一。中子散射技术赋予研究人员在原子级尺度上观测的能力，并能提供更高的元素分辨和能量分辨精度。这些优势使得研究人员能够全面解析材料的晶体结构及晶格动力学，从而深入理解其背后物理机制为优化热电材料性能提供了坚实的基础。

具有简单二元组成和高对称岩盐型立方结构体系(PbTe, SnTe等)由于较高的晶格对称性和能带简并度，不仅展现出卓越的电学性能，还具有对于提升热电性能至关重要的较低热导率。虽然这些二元材料早期因铁电相变而引起了广泛的研究兴趣，但是受限于当时实验技术的精度与准确性，只能进行定性的分析。最近，研究人员借助中子散射技术直接观测到了原子的局域结构和动力学行为，发现了其内部强烈的声子-声子相互作用(即“瀑布效应”)以及声子色散嵌套行为。以此为基础，岩盐型结构衍生出了一系列具备低热导的高性能热电材料，并由此发现了许多新颖的原子振动行为：沿着晶体学方向上的拉伸畸变让GeTe材料很容易随着温度升高发生相变，揭示了其内部新奇的软模相变机制；AgSbTe₂材料通过在阳离子位点引入两种元素，促进了纳米畴的自发形成；半赫斯勒化合物通过将阳离子插入岩盐结构的间隙位置引发了电子-声子相互作用；SnSe材料通过减弱层间相互作用降低了晶格对称性，引发强孤对电子效应以及强烈的共振键极大地抑制了热输运；Ag8SnSe₆通过引入更多游离性更强的重原子，减少了主体晶格框架与客体原子之间的耦合，极大地破坏了晶格振动；更加复杂的晶体结构会引入更多的空位， Zintl化合物中的空位在松弛晶体结构，扰动晶格振动方面扮演了主要的角色。本文的总结能进一步深化大家对晶格及其动力学的理解，推动热输运管理朝着创新突破和整体解决方向发展。

具有极端热导率的材料在许多领域至关重要，如光电器件热管理、热交换、热绝缘体和能源转换等。经过数十年的发展，对于热输运的研究已经取得了令人瞩目的成就。从宏观表征到微观解析，从物理机制到多学科融合，科学家们不断突破材料热输运极限并揭示了热输运的奥秘。未来，可以在热电材料中引入更多的自由度（例如电子轨道和自旋等）来多方位地调控热电性能。借助热电领域关于晶格振动的研究，其他领域（如超导材料、拓扑材料和磁性材料）同样可以从中受到启发，从而拓宽相关领域的研究广度，为人类探索物质世界开辟新道路。

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马 杰   上海交通大学物理与天文学院教授，博士生导师。2003年于中国科学技术大学材料科学与工程系获得理学学士学位；2010年于美国衣阿华州立大学天文与物理系获得凝聚态物理学博士学位；2010年至2015年在美国橡树岭国家实验室中子散射中心和田纳西大学天文与物理系开展博士后研究；2015年加入上海交通大学物理与天文系。长期从事凝聚态物理前沿实验研究方面的工作，尤其是运用中子散射及同步辐射X光技术对强关联体系功能材料的晶体结构、声子谱和磁子谱进行研究，探讨材料中电子、磁子、声子和轨道等相互作用及其导致的诸如电荷有序、轨道晶格耦合、自旋晶格相互作用等新奇量子效应和物理现象，以及这些效应对功能材料中各种性能的影响。已在Science, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Physical Review Letters, Journal of the American Chemical Society 等国际主流杂志上发表论文120篇，引用8000余次，专利1项。

朱金峰   上海交通大学物理与天文学院博士生。从事凝聚态物理前沿实验研究方面的工作，运用中子散射及同步辐射X光技术对强关联体系功能材料的晶体结构、声子谱进行研究，探讨材料中电子、声子等相互作用及其导致的诸如结构相变、超离子相变等新奇物理现象，以及这些效应对功能材料各种性能的影响。

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