隧道钛如何把一个完美的水晶变成坏热导体

为什么有些完美单晶的几十年的神秘显示热导率远低于预期的材料可能被解决。一个研究钙钛矿硫化钡钛已经表明,而不是固定在晶格,钛原子不断隧道之间的位置,热流的中断。这些发现可以帮助热电材料的设计。

见顶之后在约30 k (-243°C),大多数命令晶体的热导率随温度的升高。相比之下,BaTiS的热导率₃和一些其他材料更典型的眼镜:他们随温度上升,但永远比预期低得多的晶体。这种现象自1990年代以来已经知道,但从未被理解为大多数似乎是结构复杂的晶体——BaTiS₃是最简单的例子之一。

美国研究人员领导的迈克尔·曼利,Jayakanth Ravichandran和奥斯汀Minnich现在合成单晶BaTiS₃和研究当地使用非弹性中子衍射和x射线散射结构。低于100 k,材料的导热系数低于此前测量晶体。而钡和硫原子——像大多数原子在晶格搬不随着温度降低和热能,钛原子移动。

奇怪的是,每个钛原子坐在double-well潜力,意味着其平均位置——这将是在晶体点阵图,是一个充满活力的最大值。然而在实践中,一个原子在基态同样有可能占领能量较低的井,但很可能在中心。这不是特别不寻常的,橡树岭国家实验室的曼雷解释道。“如果你有两个最小值和一个大障碍,相变后的原子最终会在一个最低或其他的结束它。在BaTiS₃,然而,障碍是足够小,原子在基态不断隧道两个最小值之间。

当温度下降,更多的原子占据基态,因此钛原子更加异于寻常。他们的隧道运动从热振动通过材料吸收能量。解释说,这叫做谐振阻尼Minnich加州理工学院。

研究人员希望这种现象可以帮助更好的热电材料的发展,它在应对温差产生电流。这些需要一个高导电性低导热性,但和掺杂晶体可能是理想的。预测基于属性的概念很容易计算签名是一个活跃的领域感兴趣但还是早期,”南加州大学的Ravichandran说。

“我很惊讶他们可以解释大部分热传输的一个非常简单的教科书图片-我认为他们实际上把模型从量子力学教科书,”说奥利弗Delaire杜克大学研究原子论的运输过程,我们。我认为这是非常重要的,他们结合几种方法,实验和计算,而不是依靠只有一个,因为有时中子散射和x射线散射可以给文物。”

如何广泛适用于隧道机制具有类似性质的其他材料仍然是开放的讨论。一个更大的问题是理解创造了这个你能控制它,“Delaire说。