熱傳導(dǎo)是固體材料的基本物性之一。高熱導(dǎo)率材料在制冷系統(tǒng)散熱、電子元器件熱管理等方面具有重要應(yīng)用，低熱導(dǎo)率材料常用來構(gòu)建絕熱環(huán)境。電子、磁振子、晶格均可導(dǎo)熱，晶格作為固體材料基本的導(dǎo)熱載體，其熱導(dǎo)率由公式描述，其中，C為固體比熱、為聲子聲速和為聲子壽命；由該公式可知，聲速越大，熱導(dǎo)率越大。

中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心功能材料與器件研究部的科研人員與合作者發(fā)現(xiàn)，層狀晶體CuP₂具有與經(jīng)典半導(dǎo)體材料GaAs相仿的聲速，但是熱導(dǎo)率低一個(gè)數(shù)量級(jí)，室溫下約為4 Wm^-1K^-1，（圖1）。針對(duì)該反常行為，科研人員利用非彈性中子散射技術(shù)，系統(tǒng)研究該晶體的晶格動(dòng)力學(xué)，從原子層次揭示該反常行為來自Cu原子對(duì)的弱鍵合局域振動(dòng)模式（rattling振動(dòng)模）。

利用美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源（SNS）的衍射儀POWGEN，金屬所科研人員研究材料的晶體結(jié)構(gòu)。CuP₂具有層狀結(jié)構(gòu)，P原子構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)和Cu原子層交替排列；Cu原子兩兩形成孤立的原子對(duì)，原子對(duì)間距離較遠(yuǎn)（圖1c和1d）。利用日本高能同步輻射裝置（SPring-8）的BL04B2譜儀，獲得材料的對(duì)分布函數(shù)，分析表明，該體系不存在原子無序，從而排除原子無序?qū)β曌拥纳⑸渥饔?。科研人員生長大塊單晶，綜合運(yùn)用澳大利亞核科技組織（ANSTO）的飛行時(shí)間譜儀Pelican和熱中子三軸譜儀Taipan，選定（200）、（022）和（111）三個(gè)布里淵區(qū)，系統(tǒng)研究材料的晶格動(dòng)力學(xué)，實(shí)驗(yàn)得到的色散關(guān)系與第一性原理計(jì)算結(jié)果吻合。在晶格動(dòng)力學(xué)上，Cu原子對(duì)呈現(xiàn)弱鍵合局域振動(dòng)模式，原子振動(dòng)方向如圖1c和1d中的箭頭所示。該模式在低溫下頻率約為11 meV，隨溫度升高，急劇軟化，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非簡諧性（圖2）。在色散關(guān)系上，科研人員發(fā)現(xiàn)反交叉（anti-crossing）特征，表明該弱鍵合局域振動(dòng)模式強(qiáng)烈散射縱向聲學(xué)聲子。由于聲學(xué)聲子是導(dǎo)熱的主要參與者，尤其是縱向聲學(xué)聲子（聲速高達(dá)6243 m s^-1）。因此，該模式對(duì)縱向聲學(xué)聲子的散射導(dǎo)致較低的聲子壽命、抵消高聲速對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)，是造成該晶體具有低熱導(dǎo)率的直接原因。

目前，非彈性中子散射技術(shù)是測量原子晶格色散關(guān)系有力、直接的手段。借助該技術(shù)，科研人員呈現(xiàn)出完整的晶格動(dòng)力學(xué)圖像，有利于深入理解材料的反常熱傳導(dǎo)行為。常規(guī)的低熱導(dǎo)率材料伴隨低聲速（即低彈性模量），因此，材料較軟；CuP₂晶體兼具高聲速和低熱導(dǎo)率，有望在要求材料兼具良好剛性和絕熱性的場合得到應(yīng)用。

研究工作的思路由功能材料與器件研究部研究員李昺和張志東提出，金屬所2019級(jí)博士生齊跡為論文第一作者，李昺和ANSTO博士Dehong Yu為論文的通訊作者。功能材料與器件研究部研究員任衛(wèi)軍、副研究員楊騰，以及在讀博士生董寶娟、張召、張哲等參與該研究。參與該研究工作的還有中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所副研究員姜小明、蘭州大學(xué)教授柴國志、南方科技大學(xué)教授何佳清、ANSTO博士Sergey Danilkin、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源博士張強(qiáng)、日本高能同步輻射裝置博士Koji Ohara、日本國立物質(zhì)材料研究所博士Osami Sakata和陳艷娜、美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校教授Jianshi Zhou，以及美國加州大學(xué)河濱分校助理教授Xi Chen等?！　?/span>

近期，相關(guān)研究成果以Dimer rattling mode induced low thermal conductivity in an excellent acoustic conductor為題，發(fā)表在Nature Communications上。研究工作獲得國家自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃“從0到1”項(xiàng)目和遼寧省“興遼英才計(jì)劃”項(xiàng)目的資助，并得到SNS、SPring-8和ANSTO的大科學(xué)裝置機(jī)時(shí)支持。

圖1.CuP₂晶體的熱導(dǎo)率和晶體結(jié)構(gòu)。a.CuP₂與其他不存在原子無序的化合物的對(duì)比。b.CuP₂單晶的熱導(dǎo)率。c.CuP₂的晶體結(jié)構(gòu)。d.略去P原子的晶體結(jié)構(gòu)

圖2.CuP₂的晶格非諧性。a.不同溫度下的聲子態(tài)密度。b.第一性原理計(jì)算的聲子態(tài)密度。c.（022）布里淵區(qū)的聲子色散關(guān)系，其中11 meV處的模式即為rattling模。d-f.不同波矢和溫度下的聲子譜，其中隨溫度升高急劇軟化的模即為rattling模