Denna högupplösta scanning elektronmikroskop (SEM) bild av BaTiS 3 kristaller är överlagrade med illustrationer som visar orienteringen av enskilda atomer i kristallen. Trots kristallens atomiska perfektion, den är oväntat dålig på att transportera värmeenergi. Kredit:Caltech/USC/ORNL
Det kristallina fasta BaTiS 3 (bariumtitansulfid) är hemskt att leda värme, och det visar sig att en egensinnig titanatom som finns på två ställen samtidigt är skyldig.
Upptäckten, gjorda av forskare från Caltech, USC, och Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL), publicerades den 27 november i tidningen Naturkommunikation . Det ger en grundläggande insikt på atomnivå i en ovanlig termisk egenskap som har observerats i flera material. Arbetet är av särskilt intresse för forskare som undersöker den potentiella användningen av kristallina fasta ämnen med dålig värmeledningsförmåga i termoelektriska applikationer, där värme omvandlas direkt till elektrisk energi och vice versa.
"Vi har funnit att kvantmekaniska effekter kan spela en stor roll för att ställa in de termiska transportegenskaperna hos material även under välbekanta förhållanden som rumstemperatur, " säger Austin Minnich, professor i maskinteknik och tillämpad fysik vid Caltech och medförfattare till Naturkommunikation papper.
Kristaller är vanligtvis bra på att leda värme. Per definition, deras atomstruktur är mycket organiserad, som tillåter atomvibrationer – värme – att flöda genom dem som en våg. Glasögon, å andra sidan, är fruktansvärda på att leda värme. Deras inre struktur är oordnad och slumpmässig, vilket innebär att vibrationer istället hoppar från atom till atom när de passerar igenom.
BaTiS 3 tillhör en klass av material som kallas Perovskite-relaterade chalcogenides. Jayakanth Ravichandran, en biträdande professor vid USC Viterbis Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science, och hans team har undersökt dem för deras optiska egenskaper och har nyligen börjat studera deras termoelektriska tillämpningar.
"Vi hade en aning om att BaTiS 3 kommer att ha låg värmeledningsförmåga, men värdet var oväntat lågt. Vår studie visar en ny mekanism för att uppnå låg värmeledningsförmåga, så nästa fråga är om elektronerna i systemet flyter sömlöst till skillnad från värme för att uppnå goda termoelektriska egenskaper, säger Ravichandran.
Teamet upptäckte att BaTiS 3 , tillsammans med flera andra kristallina fasta ämnen, besitter "glasliknande" värmeledningsförmåga. Inte bara är dess värmeledningsförmåga jämförbar med glasögon med störda glasögon, det blir faktiskt värre när temperaturen sjunker, vilket är motsatsen till de flesta material. Faktiskt, dess värmeledningsförmåga vid kryogena temperaturer är bland de värsta som någonsin observerats i något helt tätt (icke -poröst) fast ämne.
Teamet fann att titanatomen i varje BaTiS3-kristall existerar i en så kallad dubbelbrunnspotential-det vill säga det finns två rumsliga platser i atomstrukturen där atomen vill vara. Den titanatom som finns på två ställen samtidigt ger upphov till vad som kallas ett "tvånivåsystem". I detta fall, titanatomen har två tillstånd:ett grundtillstånd och ett exciterat tillstånd. Passerande atomvibrationer absorberas av titanatomen, som går från marken till det upphetsade tillståndet, sönderfaller sedan snabbt tillbaka till marktillstånd. Den absorberade energin avges i form av en vibration och i en slumpmässig riktning.
Den övergripande effekten av denna absorption och emission av vibrationer är att energi sprids snarare än rent överförs. En analogi skulle vara att skina ett ljus genom ett frostat glas, med titanatomerna som frosten; inkommande vågor avleds från titan, och bara en del tar sig igenom materialet.
Det har länge varit känt att det finns två nivåer, men detta är den första direkta observationen av en som var tillräcklig för att störa värmeledningen i ett enda kristallmaterial över ett utökat temperaturintervall, uppmätt här mellan 50 och 500 Kelvin.
Forskarna observerade effekten genom att bombardera BaTiS 3 kristaller med neutroner i en process som kallas oelastisk spridning med hjälp av Spallation Neutron Source vid ORNL. När de passerar genom kristallerna, neutronerna får eller tappar energi. Detta indikerar att energi absorberas från ett tvånivåsystem i vissa fall och överförs till dem i andra.
"Det krävdes riktigt detektivarbete för att lösa detta mysterium om titanatomernas struktur och dynamik. Först verkade det som om atomerna bara var positionsstörda, men ytan på den potentiella brunnen innebar att de inte kunde stanna i sina positioner mycket länge, " säger Michael Manley, seniorforskare vid ORNL och med-motsvarande författare till Naturkommunikation papper. Det var då Raphael Hermann, forskare vid ORNL, föreslog att man skulle göra kvantberäkningar för dubbelbrunnen. "At atomer kan tunnla är välkänt, självklart, men vi förväntade oss inte att se det vid en så hög frekvens med en så stor atom i en kristall. Men kvantmekaniken är tydlig:om barriären mellan brunnarna är tillräckligt liten, då är sådan högfrekvent tunnling verkligen möjlig och bör resultera i stark fononspridning och därmed glasliknande värmeledningsförmåga, "Säger Manley.
Den konventionella metoden för att skapa kristallina fasta ämnen med låg värmeledningsförmåga är att skapa många defekter i dessa fasta ämnen, vilket är skadligt för andra egenskaper såsom elektrisk konduktivitet. Så, en metod för att designa kristallina material med låg termisk konduktivitet utan att skada elektriska och optiska egenskaper är mycket önskvärt för termoelektriska tillämpningar. En liten handfull kristallina fasta ämnen uppvisar samma dåliga värmeledningsförmåga, så teamet planerar härnäst att undersöka om detta fenomen också är skyldigt i dessa material.
