多元强弱化学键共存的复杂化合物的晶格动力学和热导率的理论研究

Understanding the structural change and the correlations to thermal transport in thermoelectri materials is of great importance in the view of physics and materials science. Traditional understanding is mainly based on phonon-phonon anharmonic interaction and defect scattering within the "small-parameter" perturbation theoretical framework. Recently, a concept of part-crystalline part-liquid state (or liquid-like), and even part-crystalline part-glass state (or glass-like), was demonstrated in some materials such as Cu3SbSe3 with chemical-bond-hierarchy, in which certain constituent species weakly bond to other part of the crystal. Such a material could intrinsically manifest the coexistence of rigid crystalline sublattices and other fluctuating noncrystalline sublattices with thermally induced large amplitude vibrations and even flow of the group of species atoms, which may potentially induce phonon scattering effect beyond lattice anharmonicity. The current project is to develop efficient theoretical approach to simulate finite-temperature lattice dynamics and thermal conductivity, and to understand the underlying mechanism for phonon scattering mechanisms beyond the tranditional view in those specific compounds.

化合物热(声子)输运机制和热导率调控对于热电材料等优化具有重要意义。热输运和晶格热导率的传统理解基于声子-声子非线性相互作用、以及缺陷和微结构对传热声子的散射。近年来，多元强弱化学键共存的复杂化合物的热导率表现出反常的极低热导率和温度依赖关系等，颠覆了传统图像，其声子散射机制与多元化学键及其强弱分布、温度诱导的静态和动态的结构变化等相关，典型材料包括Cu3SbSe3和Cu2Se等。这些化合物表现出温度相关的不同特征亚晶格共存特点，一类亚晶格(如Se和Sb)相对稳定，具有明显晶态特征，但另一类亚晶格(如Cu)则表现出大幅度非局域振动甚至流动(liquid-like)特征，整体结构为“半晶态”(part-crystalline)。理解其晶格振动和热输运规律是材料科学和凝聚态物理的焦点和前沿。本项目结合计算材料科学方法，揭示多元强弱化学键与晶格动力学和热导率的关联规律，发展热导率的系统调控方法。

本项目以填充方钴矿材料、三元Cu 基热电化合物Cu3XSe3（X=As，Sb，Bi）以及具有快离子导体特性的Cu2Se 等多元强弱化学键共存的典型材料为研究对象，结合计算材料科学方法，揭示多元强弱化学键与晶格动力学和热导率的关联规律，发展热导率的系统调控方法。通过研究，发现了笼状填充方钴矿材料中填充原子引入的强弱化学键对声子输运及热导率的影响机制，理解了多元化学键共存的类液态材料中动态原子对热输运作用的机理，在热电体系探索和性能优化方面取得重要进展。本项目执行期间共发表标注基金号的论文20篇，其中SCI论文18篇。项目负责人获得上海市优秀学术带头人称号，并多次参加国际国内学术会议，并作邀请报告，培养硕士研究生2名，博士研究生2名。项目顺利完成。

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