AgGaGe3Se8 中超低玻璃態熱導率的結構起源

核心概念

AgGaGe3Se8 化合物展現出極低的熱導率，其原因在於銀原子排列的無序性以及材料中的軟鍵。

摘要

AgGaGe3Se8 熱導率研究

本研究論文探討了四元硫屬化合物 AgGaGe3Se8 的熱性質和結構特徵。

超低熱導率

• AgGaGe3Se8 在室溫下表現出 0.2 Wm-1K-1 的超低熱導率，低於非晶矽和水，甚至許多熱電材料。
• 其熱導率溫度依賴性呈現玻璃態，在 2 K 到 700 K 範圍內表現出非晶矽般的行為。
• 這種玻璃態行為在晶體材料中並不常見，通常與非晶材料相關。

結構起源

• 多溫度同步輻射粉末 X 射線繞射（PXRD）實驗表明，Ag 原子具有極高的各向異性原子位移參數（ADP）。
• Ag 的巨大位移表明其在結構中是無序的，並通過空隙空間分析和電化學阻抗譜測量的離子電導率得到證實。
• 低溫熱容測量顯示出在 5 K 處出現玻色峰，表明存在低頻光學聲子模。
• 低德拜溫度（147 K）進一步表明了軟鍵的存在。

熱導率機制

• AgGaGe3Se8 的低熱導率歸因於 Ag 原子的無序排列、軟鍵以及低頻光學聲子模與聲學聲子模的耦合。
• Ag 的無序性會導致聲子散射增加，而軟鍵會降低聲子群速度，從而降低熱導率。
• 低頻光學聲子模與聲學聲子模的耦合進一步抑制了熱傳輸。

總結

本研究揭示了 AgGaGe3Se8 中超低玻璃態熱導率的結構起源，突出了原子無序性、軟鍵和低頻光學聲子模在實現晶體材料中極低熱導率方面的關鍵作用。

統計資料

AgGaGe3Se8 在室溫下的熱導率為 0.2 Wm-1K-1。
AgGaGe3Se8 的德拜溫度為 147 K。
AgGaGe3Se8 的離子電導活化能為 0.58 eV。

引述

"The ultra-low thermal conductivity is linked to a disordered nature of Ag in the structure, displaying extremely large Ag atomic displacement parameters obtained from multi-temperature synchrotron powder X-ray scattering measurements, and Ag ionic conductivity at elevated temperatures."
"Additionally, signs of structural anharmonicity and soft bonding are evident from a low temperature Boson peak in the heat capacity and a low Debye temperature of 147 K."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Structural origins of ultra-low glass-like thermal conductivity in AgGaGe3Se8

by Pete... 於 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.10738.pdf

深入探究

除了 AgGaGe3Se8，還有哪些其他晶體材料表現出玻璃態熱導率，它們的結構特徵是什麼？

除了 AgGaGe3Se8 外，還有許多其他晶體材料也表現出玻璃態熱導率，以下列舉一些例子以及它們的結構特徵：

籠型化合物 (Clathrates): 例如 Sr8Ga16Ge30，這類材料具有由原子構成的籠狀結構，籠中可以容納其他原子或分子。這些「客體原子」在籠中會發生「rattling」震動，這種局域化的震動會散射聲子，從而降低熱導率。
方鈷礦化合物 (Skutterudites): 例如 LaFe4Sb12，這類材料也具有籠狀結構，但與籠型化合物不同的是，它們的籠中通常容納的是稀土元素或其他重原子。這些重原子的「rattling」震動頻率更低，更能有效地散射聲子，因此方鈷礦化合物的熱導率通常比籠型化合物更低。
AgGaTe2: 這種材料的 Ag 原子在結構中會發生動態的離心運動，這種運動會產生低頻光學聲子，並與聲學聲子耦合，從而降低熱導率。
CsSnBr3: 這種材料的 Sn 原子位於由 Br 原子構成的八面體中心，但 Sn 原子並不在八面體的中心位置，而是會發生動態的偏離，這種偏離也會產生低頻光學聲子，並與聲學聲子耦合，從而降低熱導率。
Cu12Sb4S13: 這種材料具有複雜的晶體結構，包含許多原子和空位，這些結構特徵會導致強烈的聲子散射，從而降低熱導率。
總體而言，表現出玻璃態熱導率的晶體材料通常具有以下結構特徵：

複雜的晶體結構: 包含許多原子、空位或缺陷，這些結構特徵會增加聲子散射的機率。
弱鍵合原子或離子: 這些原子或離子會發生較大的熱振動，並產生低頻光學聲子，這些光學聲子會與聲學聲子耦合，從而降低熱導率。
原子或離子的動態無序: 例如「rattling」震動或離心運動，這些動態無序也會產生低頻光學聲子，並與聲學聲子耦合，從而降低熱導率。

如果 Ag 原子在 AgGaGe3Se8 的結構中是有序排列的，那麼熱導率會如何變化？

如果 Ag 原子在 AgGaGe3Se8 的結構中是有序排列的，那麼熱導率很可能會升高。
這是因為 Ag 原子的無序排列是導致 AgGaGe3Se8 熱導率極低的主要原因之一。具體來說，Ag 原子的無序排列會導致以下後果：

產生大量的點缺陷: 這些點缺陷會散射聲子，從而降低熱導率。
Ag 原子更容易發生遷移: Ag 原子的遷移會導致晶格的局部畸變，進而散射聲子。
產生低頻光學聲子: 這些低頻光學聲子會與聲學聲子發生強烈的耦合，從而阻礙熱量的傳輸。

如果 Ag 原子在 AgGaGe3Se8 的結構中是有序排列的，那麼上述效應都會減弱，從而導致熱導率升高。然而，要實現 Ag 原子的有序排列並不容易，因為 AgGaGe3Se8 的晶體結構比較複雜，而且 Ag 原子與 Se 原子之間的鍵合比較弱。

這項研究成果對於開發新型熱管理材料和熱電器件有何啟示？

這項研究成果對於開發新型熱管理材料和熱電器件具有以下啟示：

設計低熱導率材料的新思路: 該研究表明，通過在晶體結構中引入無序性，可以有效地降低材料的熱導率。這為設計低熱導率材料提供了新的思路，例如可以通過合金化、摻雜、引入缺陷等方法來增加材料的無序性。
開發新型熱電材料: 熱電材料可以將熱能和電能相互轉換，其效率與材料的熱導率密切相關。該研究成果為開發低熱導率、高熱電優值的熱電材料提供了新的思路。
優化現有熱電材料的性能: 對於一些已知的熱電材料，可以通過調整其組成和結構來增加其無序性，從而進一步降低其熱導率，提高其熱電性能。

總之，該研究成果加深了人們對晶體材料中熱傳輸機制的理解，為開發新型熱管理材料和熱電器件提供了重要的理論指導和實驗依據。