還記得高中課本上這張圖嗎？

一只小貓蹲在用火燒烤的“玻璃板”上

小貓卻安然無恙

這當然不是一塊普通的玻璃板

而是一塊低熱導材料

這類具有極端熱輸運性質(zhì)的材料

在許多領(lǐng)域都有重要應用

其制備也是重要研究方向之一

日前，北航材料學院趙立東教授課題組

給塊體材料結(jié)構(gòu)降維，讓熱傳導慢下來

取得低熱導材料研究新進展

成果被中外兩大高水平期刊報道

既是我國材料領(lǐng)域首屈一指的期刊

《中國科學：材料》的封面文章

也被《科學》雜志亮點報道

《中國科學：材料》期刊封面。Science China Materials （簡稱SCMs，英文月刊），創(chuàng)刊于2014年底，是《中國科學》系列期刊之一，由中國科學院和國家自然科學基金委員會聯(lián)合主辦，《中國科學》雜志社出版，并與Springer出版集團合作面向海外發(fā)行。

日前，由中國科學院和國家自然基金委聯(lián)合主辦的材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《中國科學：材料》以封面文章的形式發(fā)表了北航材料科學與工程學院趙立東教授課題組在低熱導材料研究上取得的新進展：《Extremely Low Thermal Conductivity from Bismuth Selenohalides with 1D Soft Crystal Structure》(SCIENCE CHINA Materials, 63 (2020) 1759-1768)，并被《科學》雜志以摘選圖片的形式進行了亮點報道 (Science, 368 (2020) 1325) (圖 1)。

第一作者：王東洋（北航2017級博士研究生），黃志偉（北航卓百博士后）

通訊作者：趙立東

第一單位：北京航空航天大學，材料科學與工程學院

圖1.《科學》雜志通過選圖亮點報道 (Science, 368 (2020) 1325).

該研究發(fā)現(xiàn)了一類由一維鏈狀晶體結(jié)構(gòu)形成的具有超低本征熱導率的化合物BiSeX (X = Br, I) (圖 2)，采用第一性原理計算、中子衍射、原位球差電鏡等結(jié)合理論、實驗和表征的方法，揭示了一維結(jié)構(gòu)賦予BiSeX超低熱導率的傳輸機制，提供了一種在塊體材料中尋找超低熱導率材料的新思路。

圖2.(a)BiSeI的一維鏈狀晶體結(jié)構(gòu)，(b)STEM下BiSeI材料中的納米線結(jié)構(gòu)

具有極端熱輸運性質(zhì)的材料在熱管理方面具有重要的應用價值，如：電子通訊的散熱領(lǐng)域?qū)哂谐邿釋У牟牧嫌衅惹行枨?，與此相反，超低熱導材料在隔熱和溫差發(fā)電等領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。超高熱導率的材料通常具有較為簡單的晶體結(jié)構(gòu)、較小的分子質(zhì)量、較強的成鍵作用以及較弱的非諧振效應。與之相反，傳統(tǒng)的低熱導材料通常需要材料具有較為復雜的晶體結(jié)構(gòu)、較大的分子質(zhì)量、較大的單胞體積和較強的非諧振效應。北航趙立東教授課題組在前期的工作中發(fā)現(xiàn)：二維非對稱的層狀晶體結(jié)構(gòu)材料具有較強的非諧振效應，從而導致了低的熱傳導(Nature 508 (2014) 373-377)?；诘蜔釋匦?，通過調(diào)控復雜能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化了電傳輸特性(Science 351 (2016) 141-144，Science 360 (2018) 778-783，Science 365 (2019) 1418-1424)。通過解決導電和導熱的矛盾，逐漸形成了在寬帶隙材料中尋找高效熱電材料的研究思路，克服了由于窄帶隙而引起的高效熱電性能局限在窄溫域的困難(Science 367 (2020) 1196-1197)。

該課題組近期的研究興趣主要集中在：在寬帶隙半導體中，通過降低晶體結(jié)構(gòu)的維度篩選低熱導率材料，進而利用輸運性質(zhì)的各向異性解決導電和導熱的矛盾，開發(fā)新型熱電材料。研究對比發(fā)現(xiàn)IV-VI族化合物中三維立方結(jié)構(gòu)的PbTe、PbSe和SnTe具有較高的熱導率。隨著晶體結(jié)構(gòu)從三維降低到二維和一維，層間和鏈間的散射作用抑制了聲子傳輸，從而降低了熱導率。對于一維鏈狀結(jié)構(gòu)的BiSeX， Bi和鹵素離子X1-的弱成鍵作用進一步降低了熱導率，形成了一維的“軟”鏈狀，即在晶體的三個軸向的化學鍵均為弱結(jié)合，表現(xiàn)出近似零維的晶體結(jié)構(gòu)特征。該特殊的結(jié)構(gòu)使BiSeI的熱導率接近于理論最小值，達到了~ 0.27 Wm-1 K-1，顯著低于眾多具有低熱傳導特征的塊體材料(圖3)。

圖3. (a) IV-VI族化合物的熱導率隨著晶體結(jié)構(gòu)的維度從三維、二維到一維逐漸降低，一維 “軟”鏈狀結(jié)構(gòu)使BiSeX (X = Br, I)具有更低的熱導率；(b) BiSeX (X = Br, I)的熱導率顯著低于眾多低熱導材料，接近于理論最小值；為了闡明BiSeX的低熱導率機制，采用第一性原理計算、中子衍射、原位球差電鏡表征相結(jié)合的方法對比研究了二維層狀結(jié)構(gòu)的Bi2Se3、一維鏈狀結(jié)構(gòu)的Sb2Se3和BiSeX的晶體結(jié)構(gòu)和成鍵特性(圖4)。

研究表明，Bi和鹵素離子之間具有弱的成鍵作用，一維鏈內(nèi)的弱鍵結(jié)合導致BiSeX具有更強的非諧振效應、較低的聲子速度和較大的原子位移(中子衍射和原位球差電鏡表征均證實)。該工作提出了一種在具有一維晶體結(jié)構(gòu)的材料中尋找低熱傳導特性的新思路，在熱電材料和熱障涂層材料等低熱傳導需求領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

圖4.(a, d) 二維Bi2Se3、(b, e) 一維Sb2Se3以及 (c, f) 一維BiSeI的低維結(jié)構(gòu)示意圖和相應的晶體結(jié)構(gòu)。(g-i) 分別是Bi2Se3, Sb2Se3和BiSeI的晶體結(jié)構(gòu)。(j-l) 分別是沿著鏈方向的投影電子局域函數(shù)(ELF)。電子局域函數(shù)的等值面設(shè)置為0.9

該工作得到了國家重點研究發(fā)展計劃 (2018YFA0702100)，國家自然科學基金 (51772012，51632005)，國家杰出青年科學基金 (51925101)，北京市杰出青年科學基金(JQ18004)，中國博士后科學基金 (2019M650429) 以及教育部111引智計劃 (B17002) 的共同資助。

從前文的介紹中不難看出

趙立東教授課題組

已經(jīng)多次發(fā)表Nature、Science等頂級期刊了

研究成果解決國際難題

厲害了！

一起再認識一下

這次研究成果的作者吧

趙立東

北京航空航天大學

材料科學與工程學院

教授、博士生導師

2014年入職北航卓越百人計劃；2016年北京市師德先鋒；2017年國際熱電學會青年科學家；2018年北京市杰青項目獲得者；2018年度長江學者特聘教授；2019年國家杰青項目獲得者；2019年全球高被引學者。主要研究興趣：開發(fā)寬帶隙高效熱電材料，并利用其各向異性解耦熱傳輸和電傳輸?shù)拿堋?/p>

王東洋

北京航空航天大學

博新計劃博士后

2014年和2017年分別獲得河南師范大學物理學專業(yè)理學學士和理學碩士學位。2020年6月博士畢業(yè)于北京航空航天大學材料學專業(yè)，師從趙立東教授，獲得工學博士學位。2020年度博新計劃獲得者。主要從事熱電輸運性質(zhì)的物理機制研究以及新型高性能熱電材料的設(shè)計和篩選，已發(fā)表SCI論文10篇（其中第一作者5篇）。

黃志偉

北京航空航天大學

材料科學與工程學院

北航卓越百人博士后

2011年本科畢業(yè)于吉林大學應用化學專業(yè)，獲得工學學士學位。2018年1月博士畢業(yè)于中國科學院大連化學物理研究所物理化學專業(yè)，師從姜鵬研究員、包信和院士，獲得理學博士學位。2018年3月進入北京航空航天大學從事博士后研究工作，師從趙立東教授。主要研究硒化鉛基熱電材料，目前在熱電材料領(lǐng)域共發(fā)表SCI論文12篇，申請國家發(fā)明專利2項。