文章导读
你是否想过，一种既能像超离子导体般高效导电、又不会因金属沉积而失效的热电材料真的存在？北京理工大学洪家旺团队最新研究揭秘了一类“初生离子导体”，在CsCu2I3中发现离子受限迁移与极端非谐效应共存，实现玻璃般的极低热导率，却无需牺牲稳定性。这项突破性进展颠覆了离子迁移率与热导率关联的传统认知，为开发高稳定、超低热导的新型热电材料开辟全新路径。借助同步辐射与第一性原理计算，团队首次揭示原子间强非线性力的关键作用，成果已发表于Advanced Materials。
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近日，北京理工大学空天学院、临近空间环境特性及效应全国重点实验室洪家旺教授团队在离子导体的原子间非线性力研究中取得重要进展，相关成果以”Incipient Ionic Conductors: Ion-Constrained Lattices Achieving Superionic-Like Thermal Conductivity Through Extreme Anharmonicity”为题发表于国际期刊Advanced Materials。该团队针对超离子导体作为热电材料时由于高离子迁移率易引发金属沉积的问题，引入”初生离子导体”的概念（具有离子传导初始特征但未达到完全离子导体水平），发现金属卤化物(AX)x–(MX)1−x体系（A=Cu/Ag，M=K/Rb/Cs，X=Cl/Br/I）相比于超离子导体，稳定性更高并且保持低热导率（κ）。以CsCu2I3为典型，借助同步辐射实验和第一性原理计算，证实了Cu离子在CuI4四面体间呈现受限迁移。依靠大科学装置进行的非弹性X射线测试，结合理论计算表明该材料原子间存在强非线性力的作用（强非谐效应），这使得材料在一个方向出现极低的玻璃状热导率。研究发现，离子迁移率与热导率没有直接关联，初生离子导体的热导率与超离子导体相当，但稳定性更优。该研究为开发基于初生离子导体的超低热导-高稳定热电材料提供了依据。
图1 CsCu2I3中的Cu离子受限迁移与玻璃状热导率
空天学院博士生李永恒为该论文的第一作者，博士毕业生魏宾（现为河南理工大学副教授）、北京航空航天大学潘曹峰教授、空天学院洪家旺教授为该论文的通讯作者，北京理工大学为论文第一单位。该工作还得到了中科院高能物理研究所、日本SPring-8光源等单位，以及国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
空天学院智能材料与结构力学实验室围绕智能材料和结构中的力、电、磁、热、光等多物理场耦合行为，利用国家大科学装置（中子源和同步辐射光源）等技术，在智能材料设计与表征等方向开展前沿交叉与基础应用研究。近年来，团队依托国内外非弹谱仪等国家大科学装置，发展了非弹性散射虚拟实验技术，在先进材料多场耦合领域取得进展，在Nature、Science、JMPS，PRL, AM等期刊发表系列成果。
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