陳剛教授，美國國家工程院院士和美國人文與科學(xué)院院士，同時(shí)也是美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）會(huì)士、美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）會(huì)士和美國物理學(xué)會(huì)(APS)會(huì)士。現(xiàn)擔(dān)任麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系主任(同時(shí)也是首位華人系主任)。陳剛教授的研究涉及熱傳遞、納米技術(shù)和能源領(lǐng)域，主要包括微米和納米尺度能量轉(zhuǎn)換與能量傳輸機(jī)理的實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值計(jì)算；具有高和低導(dǎo)熱率的納米工程材料；熱輻射和電磁超材料；固體能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、微機(jī)電系統(tǒng)、熱感應(yīng)傳感器；水處理和海水淡化等。2009年，陳剛領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在《Nano Letters》發(fā)表論文，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)物體極接近的熱輻射傳輸，可高到定律所預(yù)測的千倍，即打破了德國物理學(xué)家普朗克于1900年創(chuàng)立的黑體輻射定律的預(yù)測。
在這里，我們回顧了近幾年陳剛教授研究團(tuán)隊(duì)部分發(fā)表在Nature、Science及其子刊上的關(guān)于熱傳遞的研究工作，主要包括以下3個(gè)部分：
- 本征高導(dǎo)熱聚合物材料
- 各向同性高導(dǎo)熱無機(jī)材料
- 導(dǎo)熱機(jī)理及新現(xiàn)象研究
(注：由于學(xué)術(shù)水平有限，所選文章及其表述如有不當(dāng)，敬請(qǐng)批評(píng)指正)
【一.?本征高導(dǎo)熱聚合物材料】
1. Nature Communications：可媲美金屬熱導(dǎo)率的聚合物薄膜
提高聚合物結(jié)晶取向和結(jié)晶度可以顯著的提高聚合物材料的導(dǎo)熱性。但是在實(shí)驗(yàn)中高結(jié)晶度和高取向度的聚乙烯納米纖維的熱導(dǎo)率仍遠(yuǎn)低于聚乙烯單晶的數(shù)值預(yù)測值。這主要?dú)w結(jié)于結(jié)晶不完善，半結(jié)晶聚合物中包含混晶區(qū)和無定型區(qū)等因素。然而，單根纖維并不能解決宏觀聚合物本體導(dǎo)熱問題，如何獲得大量高導(dǎo)熱聚合物薄膜材料，仍是目前實(shí)驗(yàn)研究和工業(yè)生產(chǎn)上面臨的巨大難題！
針對(duì)這一問題，麻省理工學(xué)院陳剛教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高度拉伸的工藝來制備高導(dǎo)熱性聚乙烯薄膜的方法，制備的PE薄膜導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)62?Wm?1K?1，比一般典型聚合物(約0.1~0.2 Wm?1?K?1) 高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，超過了眾多傳統(tǒng)金屬和陶瓷材料(如304不銹鋼約為15Wm?1K?1，氧化鋁約為30 Wm?1?K?1)。在該研究中，作者發(fā)現(xiàn)高聚合熱導(dǎo)率在于最大限度地提高了聚合物分子鏈有序排列，降低了分子鏈纏結(jié)，而不是僅僅追求較高的結(jié)晶度。表征結(jié)果顯示該薄膜是由結(jié)晶態(tài)和無定形態(tài)的納米纖維組成的，通過對(duì)無定形區(qū)的形貌調(diào)控，使得無定形區(qū)域也具有非常高的導(dǎo)熱系數(shù)(約為16 Wm?1K?1), 這正是該薄膜材料具有高導(dǎo)熱性的重要原因。同時(shí)，作者通過高分辨率同步輻射X射線衍射確定的結(jié)構(gòu)和唯象熱傳輸模型進(jìn)一步揭示了熱傳輸機(jī)制。該研究以題為《Nanostructured polymer films with metal-likethermal conductivity》的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09697-7
2. Science Advances：分子工程制備高熱導(dǎo)率共軛聚合物薄膜
聚合物材料的低熱導(dǎo)率(＜0.2 Wm-1K-1)阻礙了電子設(shè)備、能源等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。而現(xiàn)有的研究表明，結(jié)構(gòu)的無序和弱的分子間相互作用是聚合物材料低熱導(dǎo)率的主要因素。當(dāng)前該領(lǐng)域的研究主要都局限在單一提高聚合物分子內(nèi)相互作用以提高聲子沿著分子鏈方向的傳輸效率，或單一提高聚合物分子間的相互作用以提高聲子在分子鏈間的傳輸效率。這些方法需要特殊的制備過程，而且材料的熱率呈現(xiàn)各向異性，在實(shí)際應(yīng)用中難以保證穩(wěn)定性和可靠性。
為了制備高導(dǎo)熱率本征聚合物薄膜材料，麻省理工學(xué)院陳剛教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合Karen K. Gleason教授團(tuán)隊(duì)采用分子工程的方法來同時(shí)提高聚合物分子內(nèi)和分子間的相互作用，從而提高聚合物的熱導(dǎo)率。作者采用自下而上的氧化化學(xué)氣相沉積（OCVD）法，利用沿著聚合物伸長鏈方向強(qiáng)的C=C共價(jià)鍵和分子鏈間強(qiáng)的π-π堆疊非共價(jià)鍵相互作用，首次實(shí)現(xiàn)了共軛聚合物薄膜[聚(3-己基噻吩)，P3HT]的高熱導(dǎo)率。P3HT中同時(shí)存在的分子內(nèi)和分子間的相互作用實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2.2 W m-1?K-1的室溫?zé)釋?dǎo)率，是傳統(tǒng)聚合物的10倍。作者研究發(fā)現(xiàn)，P3HT具有剛性的共軛主鏈和強(qiáng)的分子間π-π堆積相互作用。與C-C單鍵的熱導(dǎo)率相比，共軛的C=C雙鍵強(qiáng)度幾乎是它的兩倍，因此有望顯著改善聚合物鏈方向上的聲子傳輸。同時(shí)，分子鏈間的π-π堆積相互作用是范德華力的10-100倍，可以增強(qiáng)聲子在聚合物鏈間的傳輸。該研究以題為《Molecular engineered conjugated polymer with high thermal conductivity》的論文發(fā)表在《Science Advances》上。
原文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/4/3/eaar3031
3. Nature Nanotechnology：熱導(dǎo)率高達(dá)104 W m-1?K-1的聚合物納米纖維
實(shí)驗(yàn)研究與工業(yè)生產(chǎn)中提高聚合物材料熱導(dǎo)率常用的方法是添加高熱導(dǎo)率填料，如MCNT、石墨烯等。但是這種方法一個(gè)較大的難點(diǎn)在于導(dǎo)熱填料與聚合物基體之間有較大的熱阻，因而聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率始終受限于一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)。聚合物材料的低熱導(dǎo)率主要源于大分子鏈的微觀結(jié)構(gòu)無序性和宏觀缺陷。比如對(duì)于聚乙烯材料，理論上聚乙烯單晶的數(shù)值預(yù)測值可高達(dá)237 Wm?1?K?1，然而工業(yè)生產(chǎn)的超高分子量微米級(jí)(10~25um)聚乙烯纖維的熱導(dǎo)率只有30~40 Wm?1?K?1
為了進(jìn)一步提升聚乙烯纖維的熱導(dǎo)率以及建立起分子鏈結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱性能之間的關(guān)系，麻省理工學(xué)院陳剛教授團(tuán)隊(duì)采用超拉伸方法制備了直徑介于50~500 nm之間的聚乙烯納米纖維，顯示出了比微米聚乙烯纖維更加優(yōu)異的熱導(dǎo)率。研究發(fā)現(xiàn)聚乙烯納米纖維熱導(dǎo)率隨著拉伸比的增加而不斷增加，拉伸比為160、270和410的樣品對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)率分別是53.3、80.4和104?Wm?1?K?1，其最高值是未經(jīng)過特殊處理聚乙烯材料0.35 Wm?1?K?1的300多倍，同時(shí)超過鉑、鐵和鎳這些純金屬材料熱導(dǎo)率的一半。研究中作者發(fā)現(xiàn)，相比于微米纖維，納米纖維具有更高的熱導(dǎo)率是因?yàn)榧{米纖維中缺陷密度較低，更大的缺陷(如空隙和雜質(zhì))或更大的纏結(jié)區(qū)域不太可能出現(xiàn)；而較小的缺陷(如較小的纏結(jié)區(qū)和鏈端)則仍然可以作為非晶區(qū)的一部分存在，在拉伸過程中部分轉(zhuǎn)化為晶體。即納米纖維在拉伸過程中有助于聚合物鏈的納米級(jí)重組，纖維質(zhì)量更接近理想的單晶纖維。但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示聚乙烯納米纖維熱導(dǎo)率仍然低于聚乙烯單晶的熱導(dǎo)率理論值，這是因?yàn)榧{米纖維由許多相互作用的鏈組成，這些鏈之間的范德華相互作用會(huì)在每條鏈內(nèi)部誘發(fā)聲子散射，從而降低熱導(dǎo)率。該研究以題為“Polyethylene nanofibres with very high thermal conductivities”發(fā)表在《Nature Nanotechnology》上。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/nnano.2010.27
【二.各向同性高導(dǎo)熱無機(jī)材料】
1.Science：高熱導(dǎo)率砷化硼晶體
室溫下，金剛石和石墨這兩種碳同素體晶體的熱導(dǎo)率值達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的約2000 W m-1 K-1。然而，金剛石價(jià)格昂貴以及與普通半導(dǎo)體之間的熱膨脹系數(shù)不匹配等缺點(diǎn)限制了其進(jìn)一步和大規(guī)模的應(yīng)用。而石墨的熱導(dǎo)率具有較高的各向異性，其面外熱導(dǎo)率比面內(nèi)熱導(dǎo)率約低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，石墨的半金屬性質(zhì)也阻礙了它們作為活性電子材料的應(yīng)用。因此開發(fā)出各向同性的高熱導(dǎo)率材料對(duì)于未來高密度集成電路和電子領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。
針對(duì)這一問題，麻省理工學(xué)院陳剛教授、波士頓學(xué)院David?Broido教授、休士頓大學(xué)Zhifeng?Ren教授和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Li Shi教授聯(lián)合制備了一種各向同性，局部熱導(dǎo)率高達(dá)1000?W m-1 K-1，平均熱導(dǎo)率高達(dá)900?W m-1 K-1的砷化硼晶體材料，這一研究打破了傳統(tǒng)理論的認(rèn)知。根據(jù)傳統(tǒng)理論，超高晶格熱導(dǎo)率只能出現(xiàn)在由強(qiáng)鍵合的輕元素組成的晶體中，并且受非諧三聲子過程的限制。但是作者發(fā)現(xiàn)在硼和砷分別為輕元素和重元素的塊狀砷化硼(BAs)晶體中也可以實(shí)現(xiàn)極高的熱導(dǎo)率。這項(xiàng)研究使人們對(duì)固體熱傳導(dǎo)物理學(xué)有了更深入的了解，并表明BAs是唯一已知的具有超高導(dǎo)熱性的半導(dǎo)體材料。這項(xiàng)研究以題為“Unusual high thermal conductivity in boron arsenide bulk crystals”發(fā)表在《Science》上。
原文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/361/6402/582
2.Science：立方氮化硼晶體—超級(jí)導(dǎo)熱材料
所有已知材料在室溫下的熱導(dǎo)率都分布在大約0.01~1000 W m-1K-1這一范圍，比如導(dǎo)熱性較佳的的硅和銅的熱導(dǎo)率在100 W m-1K-1這一數(shù)量級(jí)。然而，隨著先進(jìn)微電子芯片內(nèi)部的熱流密度越來越高，為了保證有效散熱，對(duì)于具有超高熱導(dǎo)率的材料的要求也越來越緊迫。鉆石在室溫下的熱導(dǎo)率大約是2000 W m-1K-1，自1953年至今，一直都是公認(rèn)的熱導(dǎo)率最高的塊材。然而高質(zhì)量的鉆石即稀少又昂貴，不適合廣泛用于散熱。在2018年，有研究者發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量的砷化硼的熱導(dǎo)率可高達(dá)約1200 W m-1K-1，成為各向同性熱導(dǎo)率最高的非碳材料。
近日，麻省理工學(xué)院陳剛教授、波士頓學(xué)院David?Broido教授和北京大學(xué)宋柏教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合發(fā)現(xiàn)經(jīng)過硼同位素的富集，包含約99%的硼-10或硼-11的立方氮化硼晶體的熱導(dǎo)率超過了1600 W m-1K-1。這一數(shù)值大大超過砷化硼，也就意味著硼同位素富集的立方氮化硼晶體已經(jīng)取代砷化硼，成為最好的非碳及各向同性的導(dǎo)熱材料。普通的立方氮化硼熱導(dǎo)率約為850 W m-1K-1，而經(jīng)過元素富集之后的立方氮化硼熱導(dǎo)率的提升主要原因是消除了天然豐度立方氮化硼晶體中，由于硼-10和硼-11兩種同位素混合而產(chǎn)生的對(duì)于熱流的阻力。這項(xiàng)研究以題為“Ultrahigh thermal conductivity in isotope-enriched cubic boron nitride”的論文發(fā)表在《Science》上。
原文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/367/6477/555
【三.?導(dǎo)熱機(jī)理及新現(xiàn)象研究】
1.Nature Communications：亞納米界面熱傳導(dǎo)模型的建立
熱傳導(dǎo)和熱輻射是兩種基本的傳熱方式。根據(jù)普朗克黑體輻射定律，在表面溫度接近300K時(shí)，遠(yuǎn)場熱輻射熱導(dǎo)率的極限值約為6 Wm?1?K?1。最近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在近場的兩個(gè)表面如果相距只有幾十納米，那么界面之間的熱導(dǎo)率可以高過黑體輻射定律預(yù)測值的3~4個(gè)數(shù)量級(jí)。而這一結(jié)果也與已建立的波動(dòng)電動(dòng)力學(xué)和宏觀麥克斯韋方程的理論一致。但是，當(dāng)兩個(gè)界面直接接觸之后，傳熱主要依靠傳導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行；而對(duì)于固體晶體，則用聲子輸運(yùn)來描述，并且由傳導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行的熱導(dǎo)率一般介于107~109?Wm?1?K?1之間。因此，兩個(gè)界面由幾十納米的間距到直接接觸這個(gè)過程中熱導(dǎo)率產(chǎn)生了4~5個(gè)數(shù)量級(jí)的增加，而中間過渡的階段目前還沒有適合的理論模型來描述。
為了解決這一難題，麻省理工學(xué)院陳剛教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)一個(gè)基于麥克斯韋方程和晶格動(dòng)力學(xué)理論的微觀原子論模型來描述兩個(gè)界面在不斷接近過程中，熱傳導(dǎo)從近場輻射導(dǎo)熱過渡到聲子導(dǎo)熱的演變過程。研究結(jié)果顯示在界面間距＞1nm的條件下，建立的模型預(yù)測結(jié)果與波動(dòng)電動(dòng)力學(xué)連續(xù)介質(zhì)理論結(jié)果一致。然而，當(dāng)界面的間隙達(dá)到亞納米后，作者發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率比連續(xù)介質(zhì)理論值高出4倍。這表明在接近原子層間距時(shí)，基于局部介電常數(shù)的連續(xù)介質(zhì)理論會(huì)失效?；谠撃Ｐ偷挠^測結(jié)果增強(qiáng)是因?yàn)榈皖l聲子通過耦合消散電場來穿過真空間隙，為能量傳遞提供額外的通道。而當(dāng)兩個(gè)表面處于或接近接觸狀態(tài)時(shí)，聲子成為主要的熱載體。這項(xiàng)研究以題為“Transition from near-field thermal radiation to phonon heat conduction at sub-nanometre gaps”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/ncomms7755
2.Nature Nanotechnology:基于納米尺度下的準(zhǔn)彈道傳輸來測量熱導(dǎo)率光譜
近年來，隨著新納米加工方法、技術(shù)和精密制造設(shè)備的出現(xiàn)，在納米尺度上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來控制材料的熱導(dǎo)率已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究和取得了很顯著的成果。但納米結(jié)構(gòu)尺寸和熱性能之間的明確關(guān)系仍有待于進(jìn)一步研究和建立，目前主要的挑戰(zhàn)在于熱傳輸通常涉及熱載體的光譜分布，而這種分布在大多數(shù)固體中是未知的。在大多數(shù)半導(dǎo)體和介電材料中，這些熱載體主要是聲子，而材料的宏觀熱導(dǎo)率是所有不同模式聲子貢獻(xiàn)的總和，但是它們?cè)诓祭餃Y區(qū)分布的范圍很廣。因此，量化不同模式的聲子對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)對(duì)于使用納米結(jié)構(gòu)方法來調(diào)整材料的熱導(dǎo)率是至關(guān)重要的，但這一信息對(duì)于大多數(shù)材料來說仍然很難通過有效的方法來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
為了解決這一問題，麻省理工學(xué)院陳剛教授團(tuán)隊(duì)采用超快光譜學(xué)技術(shù)，通過探測納米熱源附近的準(zhǔn)彈道傳輸(深度為30nm)，首次通過實(shí)驗(yàn)測量了這種光譜的分布。這種方法可以量化硅鍺合金中所有聲子模式對(duì)材料熱導(dǎo)率的總光譜貢獻(xiàn)的95%，并且測量結(jié)果與基于多尺度和第一原理的仿真結(jié)果吻合性較高，同時(shí)，這種方法還可以應(yīng)用于砷化鎵、氮化鎵和藍(lán)寶石等多種材料中。這項(xiàng)研究提供了一種通用的方法來通過實(shí)驗(yàn)量化整個(gè)聲子光譜中不同MFP對(duì)聲子熱傳輸?shù)呢暙I(xiàn)，其測量結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)熱性能更優(yōu)異的納米結(jié)構(gòu)材料具有促進(jìn)作用，同時(shí)對(duì)微型化電子設(shè)備的熱管理也有重要意義。這項(xiàng)研究以題為“Spectral mapping of thermal conductivity through nanoscale ballistic transport”的論文發(fā)表在《Nature Nanotechnology》上。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/nnano.2015.109
3.Nature Communications：利用液-固相變對(duì)材料的熱導(dǎo)率進(jìn)行可逆溫度調(diào)節(jié)
材料熱傳導(dǎo)率的可逆溫度調(diào)節(jié)在許多應(yīng)用中都很有意義，包括建筑溫度的季節(jié)性調(diào)節(jié)、熱儲(chǔ)存和傳感器。由于材料的相變溫度范圍較寬，因此液-固相變是一種具有很大潛力的通過溫度來調(diào)節(jié)材料熱導(dǎo)率的方法。同時(shí)，由于液-固相變通常不會(huì)引起材料發(fā)生金屬-絕緣體的轉(zhuǎn)變，因此可以在液體中加入納米顆粒來控制液相和固相之間的性質(zhì)差異。特別是在含有納米顆粒的晶體結(jié)晶溶液中，納米粒子在冷卻時(shí)會(huì)被擠壓到晶界；而冷卻結(jié)晶過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力可以調(diào)節(jié)納米粒子間的接觸狀態(tài)，從而可以提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。理論上，通過調(diào)節(jié)納米粒子的濃度，就可以進(jìn)一步優(yōu)化相變對(duì)熱導(dǎo)率影響。
基于這一設(shè)計(jì)思想，麻省理工學(xué)院陳剛教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種在液體中添加納米粒子形成穩(wěn)定懸浮物，并利用液體和晶體固體之間的一級(jí)相變來有效調(diào)節(jié)材料熱導(dǎo)率的方法。作者以石墨烯/十八烷體系為例進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在石墨烯/十八烷復(fù)合材料的相變(≈18℃)過程中，內(nèi)應(yīng)力降低了石墨烯閾滲網(wǎng)絡(luò)的熱阻，導(dǎo)致其熱導(dǎo)率發(fā)生較大變化—含1wt%石墨烯的復(fù)合材料，熱導(dǎo)率在相變前＜0.4 Wm?1?K?1，相變后接近1.2 Wm?1?K?1，提升幅度為3.2倍。同時(shí)，這種方法也可以提高復(fù)合材料的電導(dǎo)率，最大提升幅度可達(dá)2個(gè)數(shù)量級(jí)。這項(xiàng)研究以題為“Reversible temperature regulation of electrical and thermal conductivity using liquid–solid phase transitions”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/ncomms1288
4. Nature Communications：石墨烯的聲子流體動(dòng)力學(xué)傳輸
聲子是非金屬固體中主要的熱載體。傅里葉熱傳導(dǎo)定律用擴(kuò)散模型來描述聲子的傳輸，但是后來人們發(fā)現(xiàn)在塊狀材料中傅里葉定律具有一定的局限性，比如聲子的彈道和流體動(dòng)力學(xué)傳輸。由于這些現(xiàn)象只有在極低的溫度和較窄的溫度范圍內(nèi)才能觀察到，因此人們對(duì)它的關(guān)注較少。然而，最近的研究發(fā)現(xiàn)低維材料的聲子彈道輸運(yùn)在諸如熱電材料和電子設(shè)備等應(yīng)用中具有實(shí)際而重要的應(yīng)用潛力，因此對(duì)低維材料的聲子流體動(dòng)力學(xué)傳輸?shù)难芯恳财仍诿冀蕖?/p>
麻省理工學(xué)院陳剛教授團(tuán)隊(duì)根據(jù)第一性原理計(jì)算結(jié)果預(yù)測，聲子流體動(dòng)力傳輸可以在懸浮石墨烯中發(fā)生，并且其溫度顯著高于塊狀材料，同時(shí)溫度范圍更廣。研究發(fā)現(xiàn)懸浮石墨烯中的聲子流體動(dòng)力傳輸與通常的擴(kuò)散或彈道聲子傳輸有明顯區(qū)別，而這主要?dú)w結(jié)于石墨烯的二維特性，如動(dòng)量守恒N過程的極大散射率和長波長ZA聲子的大密度態(tài)。作者通過聲子漂移運(yùn)動(dòng)、聲子泊肅葉流和第二聲子的流動(dòng)來重點(diǎn)研究了亞室溫范圍懸浮石墨烯的聲子流體動(dòng)力傳輸過程，并展望了其未來的實(shí)際重要應(yīng)用：比如無阻尼的快速熱傳導(dǎo)特性可以使石墨烯應(yīng)用在熱互連或熱信號(hào)發(fā)射器上。這項(xiàng)研究以題為“Hydrodynamic phonon transport in suspended graphene”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/ncomms7290
5．Nature Materials：電化學(xué)誘導(dǎo)相變對(duì)SrCoOx熱導(dǎo)率的雙向調(diào)節(jié)
傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，與廣泛的電導(dǎo)率動(dòng)態(tài)控制不同，材料的熱導(dǎo)率不可以通過電勢來調(diào)節(jié)。這是因?yàn)閾诫s到材料晶格中的原子純粹是熱載體的散射源，這只會(huì)降低材料的熱傳導(dǎo)速率。但是麻省理工學(xué)院陳剛教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合Bilge?Yildiz教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過電化學(xué)來控制氧摻雜和氫摻雜，可以來雙向調(diào)節(jié)SrCoO氧化物的熱導(dǎo)率。在研究中，作者利用離子缺陷和原子結(jié)構(gòu)之間的相互作用，通過電化學(xué)方法將不同種類的離子插入到SrCoO薄膜中，并引發(fā)相變，從而在室溫下產(chǎn)生較大的熱導(dǎo)率變化。
研究結(jié)果顯示鈣鐵石SrCoO2.5經(jīng)過氧摻雜后轉(zhuǎn)變?yōu)殁}鈦礦SrCoO3-δ，熱導(dǎo)率最大可增加2.5倍；而經(jīng)過氫摻雜后轉(zhuǎn)變?yōu)闅浠疭rCoO2.5，熱導(dǎo)率最大可降低4倍。作者在研究中發(fā)現(xiàn)，不同元素?fù)诫s引起的熱導(dǎo)率變化是SrCoO內(nèi)部缺陷濃度、晶格參數(shù)和晶格對(duì)稱性的改變引起的。例如摻雜的氫離子改變了SCoO的化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)，起到了聲子散射源的作用，從而導(dǎo)致了熱導(dǎo)率的降低。該研究表明通過對(duì)多種缺陷或離子類型、原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行電化學(xué)控制，可以在大范圍內(nèi)對(duì)材料的熱導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)節(jié)(在該研究中，熱導(dǎo)率可調(diào)范圍為0.44~4.33 W m?-1?K?-1)。并且和傳統(tǒng)方法相比，這種方法可以更大范圍地調(diào)整氧化物的導(dǎo)熱系數(shù)，為設(shè)計(jì)用于智能窗口、熱管理和能量采集的功能性氧化物提供了新的途徑。這項(xiàng)研究以題為“Bi-directional tuning of thermal transport in SrCoOx with electrochemically induced phase transitions”的論文發(fā)表在《Nature Materials》上。
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https://www.nature.com/articles/s41563-020-0612-0
6.Science Advances：熱傳導(dǎo)中的聲子定位
在傳熱研究領(lǐng)域，納米結(jié)構(gòu)中廣泛觀察到的非擴(kuò)散性聲子熱傳輸經(jīng)常歸因于經(jīng)典的尺寸效應(yīng)，而忽略了聲子的波特性。先前的模擬和最近的實(shí)驗(yàn)表明，在超晶格材料(SLs)中，由于短波長的聲子會(huì)在原子混合的界面上被強(qiáng)烈散射掉，因此大部分負(fù)責(zé)熱傳導(dǎo)的聲子都有相對(duì)較長的波長。這些長波長的聲子在經(jīng)過多個(gè)周期甚至整個(gè)SL厚度的過程中都保持著它們的相位，理論上，如果這些聲子能夠被有效地散射，那么SL的導(dǎo)熱系數(shù)就會(huì)進(jìn)一步降低，從而根據(jù)熱導(dǎo)率的下降，就可以對(duì)內(nèi)部的聲子傳輸進(jìn)行定位。
為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，麻省理工學(xué)院陳剛教授團(tuán)隊(duì)通過在GaAs/AlAs型SLs的內(nèi)部界面上放置ErAs納米點(diǎn)來控制中長波長聲子的傳輸能力，來研究聲子熱傳導(dǎo)的定位行為。研究結(jié)果表明，ErAs納米點(diǎn)的引入可以使SLs的導(dǎo)熱系數(shù)降低2倍。同時(shí)，在低溫條件下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這些SLs的導(dǎo)熱系數(shù)隨SL周期數(shù)的增加出現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律(這與聲子定位效應(yīng)一致)?；诟窳趾瘮?shù)的模擬，作者進(jìn)一步證實(shí)了這種從彈道到局部運(yùn)輸?shù)霓D(zhuǎn)變。而在較高的溫度下，這些SLs的導(dǎo)熱系數(shù)隨SL周期數(shù)的變化呈現(xiàn)出從彈道到擴(kuò)散的過渡行為。這些觀測結(jié)果對(duì)利用波效應(yīng)來設(shè)計(jì)聲子的熱導(dǎo)率具有重要的指導(dǎo)意義。該研究以題為“Phonon localization in heat conduction”的論文發(fā)表在《Science Advances》上。
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