传统的唯象理论认为,高晶格热导率只存在于类似金刚石的,仅由轻元素以强共价键结合形成的高对称性的简单结构中。最新的第一性原理计算和实验表征工作发现,未曾引起人们关注的砷化硼半导体由于其独特的声子散射机制,可以产生反常的超高热导率,说明砷化硼在散热领域拥有巨大的研究价值。与此同时,砷化硼独特的电、光、力学性能等也为新型半导体器件的研发提供了新的思路。
众所周知,固体材料的导热机理主要为电子导热和声子导热两种,大多数固体属于前者,少数属于后者的导热材料往往表现出超高热导率。已有研究表明,半导体材料立方硼砷(c-BAs)的超高热导率属于后者,是声子-声子散射导热,将其机制归因于光学支声子与声学支声子之间巨大的能量差。
如果一个材料具有较强的电声耦合强度,在热传导的过程中声子会被电子“粘”住,等效于包裹上许多电子从而产生“拖拽”效果,导热机理不再是纯粹的声子-声子散射来主导了,与电子导热的材料相比,不再具有高的导热系数。为了使声子-声子导热机理显现出来,只有在电声耦合强度极小的材料里才可能实现。
近段时间,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员与郑州大学、美国休斯敦大学和中科院国家纳米科学中心科研人员合作,对高热导材料c-BAs进行了深入的超快光谱研究。科研人员通过激发光生载流子,利用变温和变能流密度实验观测准粒子弛豫过程中电子-声子相互作用,获得了c-BAs的电-声子耦合强度,发现其数值较小,是迄今所报道的最弱的电-声耦合强度。研究估算还发现石墨烯的电声耦合强度也较弱。
由此研究可以推断,超弱的电声耦合强度可能是超高热导材料所具有的普遍共性,为未来探索及设计高热导材料提供了新思路,即只有电声耦合强度极弱的材料才可能表现出超高热导率(采用超快光谱或拉曼光谱等实验手段可以进行筛选)。该研究促使思考两个独立机制之间的潜在关联,即何种机制导致了其中之一在导热过程中起主导作用。相关工作近期发表在Physical Review B上。
(资料来源:物理研究所)