一般來說，晶體是良好的熱導(dǎo)體。從理論上講，它們的原子結(jié)構(gòu)極為有序，使原子振動（即熱量）以波的形式流經(jīng)它們。相比之下，玻璃是不良的熱導(dǎo)體。它們具有隨機和無序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這意味著振動在通過時會從一個原子跳到另一個原子。

不過最近這個理論似乎受到了挑戰(zhàn)。11月27日《自然通訊》雜志上報道了加州理工學(xué)院、南加州大學(xué)和能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的科學(xué)家們的一項新發(fā)現(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)鋇鈦硫化物(BaTiS₃)雖是一種晶體，但卻是熱的不良導(dǎo)體，而且熱導(dǎo)率還會隨著溫度的降低而變差，與大多數(shù)材料形成了鮮明對比。在低溫下，它的導(dǎo)熱率是有史以來在任何完全致密（無孔）固體中觀察到的最差的。

這張高分辨率的SEM圖顯示了BaTi₃晶體中單個原子的排列方向。盡管晶體具有完美的原子結(jié)構(gòu)，但在傳輸熱能方面卻出人意料地差

經(jīng)過研究后發(fā)現(xiàn)，每個BaTiS₃晶體中的鈦原子被發(fā)現(xiàn)存在于所謂的雙阱勢中，換句話說，原子希望位于原子結(jié)構(gòu)內(nèi)的兩個空間位置。鈦原子同時存在于兩個地方，形成了所謂的“二能級系統(tǒng)”。在這種情況下，鈦原子會表現(xiàn)出兩種狀態(tài)：基態(tài)和激發(fā)態(tài)。鈦原子吸收通過的原子振動，從地面進入激發(fā)態(tài)，隨后迅速衰變回基態(tài)，吸收的能量以振動的形式隨機釋放。由于這種吸收和釋放振動的累積效應(yīng)，能量被分散而不是干凈地傳遞。可以這么理解一下：當(dāng)照射光通過結(jié)霜的玻璃時，鈦原子就是玻璃上的那層“霜”，會導(dǎo)致入射波偏離，最終只有一部分光穿過材料。

“我們曾預(yù)感到BaTiS₃的導(dǎo)熱系數(shù)會很低，但這個數(shù)值卻出乎意料的低。我們的研究顯示了一種實現(xiàn)低熱導(dǎo)率的新機制，所以接下來的問題是，體系中的電子是否會像熱一樣無縫流動，以實現(xiàn)良好的熱電特性。”Jayakanth Ravichandran，南加州大學(xué)Viterbi工程學(xué)院莫克家族化學(xué)工程和材料科學(xué)系助理教授說。

已知傳統(tǒng)的制造低熱導(dǎo)率的晶體固體的方法包括在這些固體中形成大量的缺陷，這對其他性質(zhì)如電導(dǎo)率有不利影響。因此，制備低熱導(dǎo)率晶體材料而不影響其光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的技術(shù)是熱電應(yīng)用的最佳選擇。由于很少有晶體固體顯示出同樣可怕的導(dǎo)熱系數(shù)，研究人員的下一步就是研究這種現(xiàn)象是否也在這些材料中起作用。

資料來源：AZoM

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