(a) Värmeledningsförmågan som funktion av temperatur. Insert är kedjestrukturen för BiSeI. (b) Morfologin hos trådformade kedjor i 1D BiSeI. Kredit:©Science China Press
Forskare har rapporterat en ny typ av enkla endimensionella (1-D) kristallstrukturerade vismutselenohalider (BiSeX, X =Br, I) med extremt låg värmeledningsförmåga. Undersökningar av kristallstruktur visar att den ultralåga värmeledningsförmågan beror på den försvagade kemiska bindningen i den lågdimensionella strukturen, visar en kvasi-0-D kristallstruktur. Dessa fynd ger en ny urvalsregel för att söka efter material med låg värmeledningsförmåga med potentiella tillämpningar i termoelektriska och termiska barriärbeläggningar.
De låga termiska transportegenskaperna är viktiga för applikationer inom termoelektriska och termiska barriärbeläggningar. I dag, strategierna för att uppnå låg värmeledningsförmåga i bulkmaterial inkluderar flerskaliga defekter (atomär, nano- och mesoskala), hög molekylvikt, komplex kristallstruktur, större enhetscell och stark anharmonicitet.
I en ny artikel i Science China Materials , Prof. Li-Dong Zhao från Beihang University och kollegor föreslog en ny strategi för att söka efter inneboende låg värmeledningsförmåga i endimensionell kristallstruktur. Genom att använda de första principernas beräkningar och experimentell syntes, de hittade en typ av material med extremt låg värmeledningsförmåga, BiSeX (X=Br, I) med en endimensionell kedjestruktur. Mekanismerna bakom den låga värmeledningsförmågan avslöjades från aspekten av kristallstrukturen genom neutronpulverdiffraktionsmätningar och temperaturavstämbar aberrationskorrigerad sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM).
För att klargöra ursprunget till ultralåg värmeledningsförmåga, författarna gjorde jämförelser med flera analoger som uppvisar kubisk (3-D), lager- (2-D) och kedjeliknande (1-D) kristallstrukturer, och fann att den termiska konduktiviteten visade en minskande trend från 3-D, 2-D till 1-D på grund av att den kemiska bindningsstyrkan mellan den lågdimensionella strukturen blir allt svagare och svagare.
Schematiska kristallstrukturer och elektroniska lokaliseringsfunktioner (ELF) av 2D, 1D, och mjuk 1D Bi2Se3, Sb2Se3 och BiSeI, respektive. Schematiska diagram och motsvarande kristallstrukturer av (a, d) 2D plattor i Bi2Se3, (b, e) 1D-kedja i Sb2Se3 och (c, f) 1D-kedja med migration av halogener i BiSeI. Kristallstrukturerna i Bi2Se3, Sb2Se3och BiSeI sett längs c-riktningen ges i (g-i), respektive. (j-l) Den projicerade ELF längs kedjan. Isoytnivån för ELF är 0,9. Kredit:©Science China Press
"Baserat på dessa riktlinjer, fann vi att den kemiska bindningen längs kedjan ytterligare försvagades med tillsatta halogenatomer, " sade prof. Zhao. Därför, de kemiska bindningarna av BiSeX längs alla tre kristallografiska riktningarna är svagare än i andra föreningar, visar en kvasi-0-D kristallstruktur.
Skiljer sig från diamanten med ultrahög värmeledningsförmåga (> 2000 W m -1 K -1 ) med starka kovalenta bindningar mellan kolatomer, fonontransporten i vismutselenohalider var signifikant undertryckt. Som ett resultat, de uppvisar extremt låg värmeledningsförmåga. "Värmeledningsförmågan hos BiSeI vid 573 K når ~0,27 Wm -1 K -1 , som ligger nära det teoretiska minimivärdet, " sa prof. Zhao.
Dessa fynd öppnar möjligheten att uppnå material med låg värmeledningsförmåga i en endimensionell kedjeinnehållande bulkstruktur med potentiella tillämpningar inom områdena termiska barriärbeläggningar, termoelektriska material, etc.
