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Phonon-Localization-Driven Decoupling of Dual-Channel Transport for Record-Low Intrinsic Lattice Thermal Conductivity

本文表明，准一维三元螺旋晶体（如 InSeI、GaSeI 和 AlSeI）中的声子局域化有效地解耦了粒子型和波型热传输通道，从而协同抑制了这两种机制，以实现低至 0.058 W/mK 的创纪录极低本征晶格热导率。

原作者： Zhunyun Tang, Xiaoxia Wang, Jin Li, Chaoyu He, Chao Tang, Mingxing Chen, Tao Ouyang

发布于 2026-09-01

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原作者： Zhunyun Tang, Xiaoxia Wang, Jin Li, Chaoyu He, Chao Tang, Mingxing Chen, Tao Ouyang

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

热量通过固体材料以两种截然不同的方式传递，这种双重性长期以来一直困扰着试图创造世界上最有效热绝缘体的科学家。在不导电的材料中，热量主要通过构成晶体结构的原子振动来传递。几十年来，研究人员一直认为，要阻止这种热量，必须尽可能地散射这些振动，就像在跑步者的路径上设置障碍物一样。然而，对物理学的深入理解揭示了一个更复杂的现实：这些原子振动既表现得像在晶格中弹跳的微小粒子，又表现得像可以穿透障碍物的波。挑战在于，用于阻止粒子运动的策略往往会无意中促进波状运动，从而为材料能达到的最低温度设定了一个基本极限。这种竞争使得最好的绝缘体无法达到其理论最小值，在“可能”与“已实现”之间留下了差距。

一组研究人员现在发现了一种打破这一僵局的方法，即设计一种能够同时阻止两种类型热运动的材料。通过专注于一类形成长而扭曲链状结构的特定晶体家族，他们发现这些结构中的原子变得极其受限，以至于它们的振动基本上冻结在了原地。这种被称为“声子局域化”（phonon localization）的现象创造了一种状态，即振动变得如此迟缓，以至于既不能作为粒子移动，也不能作为波进行隧穿。其结果是，这种材料具有打破热量阻挡的创纪录能力，为工程化制造终极热绝缘体提供了新的蓝图。

研究人员将研究重点放在了一组由�듐（indium）、镓（gallium）或铝（aluminum）与硒（selenium）和碘（iodine）组成的化合物上。这些材料具有独特的架构：由原子组成的、向内扭转成螺旋状的长一维管状结构，类似于螺旋楼梯。这些管子紧密排列在一起，但将它们彼此连接的力量却极其微弱，就像两张纸之间的轻微吸引力，而管内部的键合却很强。这种结构安排结合重原子的存在，为捕捉热量创造了完美的条件。重原子移动缓慢，而管与管之间微弱的连接防止了振动轻易地从一条链传播到另一条链。

当团队模拟这些晶体的行为时，他们发现材料内部的振动变得高度局域化。振动不再在晶体中自由传播，而是被困在微小的区域内，无法获得动量。这种局限性产生了双重效应。首先，它阻止了热量的粒子流，因为振动根本无法移动得足够快来携带能量。其次，更令人惊讶的是，它也阻止了波状隧穿。通常情况下，当振动在复杂的晶体中密集排列时，它们会相互重叠并进行隧穿，从而在粒子流被阻断时仍让热量溜过去。但在这些扭曲的链状结构中，由于振动高度局域化且能级非常独特，波状隧穿也被粉碎了。这两种热传输通道——通常会相互竞争或补偿——被有效地解耦并同时抑制了。

他们的模拟数据非常惊人。对于一种名为硒化碘铟（indium selenide iodide）的化合物，在室温下测得的链间热流仅为 0.198 瓦特每米开尔文（W/m·K）。这是一个极低的值，但更引人注目的是相关的镓硒碘化合物和铝硒碘化合物的结果。这些材料实现了更低的值，在室温下分别降至 0.086 和 0.089 瓦特每米开尔文。为了直观理解，这些数值如此之低，几乎接近了单晶体能导热量的理论极限。即使在 900 开尔文的高温下，这些材料仍保持着其隔热能力，其数值进一步降至 0.058 和 0.059 瓦特每米开尔文。这种行为很不寻常，因为许多在低温下阻挡热量效果良好的材料，在升温时导热性会增强，但这些晶体在温度升高时反而变得更具绝缘性。

这种成功的关键在于材料的特定设计。研究人员表明，重原子和链间微弱的连接迫使振动进入了一种几乎没有速度的状态。用物理学语言来说，描述振动传播速度的“群速度”（group velocity）被降低到了近乎停滞的状态。这是因为振动被压缩成了平坦的能带，意味着它们没有移动或扩散的空间。团队通过分析电子分布证实了这一点，结果显示电子在链内被紧紧束缚，但在链间却完全松散且弥散。这证实了这些链是由非常微弱的力量维系的，从而允许振动被捕获。

这项工作表明，实现最低可能热导率的路径并不在于使晶体变得更复杂或添加更多杂质来散射热量，而在于创造一种特定类型的限制。通过设计让振动被迫留在原地的材料，科学家可以阻止热量以任何形式移动。该研究提供了一个清晰的范例，说明维度局限性（将材料限制在一维形状中）如何可以被用来设计出此前被认为在单晶中无法实现的特性。这些发现为创造能够保护敏感电子设备免受热量影响，或提高将废热转化为电力的设备效率提供了新方向，因为它终于克服了长期以来限制热绝缘性能的根本权衡。

技术摘要：声子局域化驱动的双通道输运解耦，实现创纪录的极低固有晶格热导率

问题陈述
本文旨在解决降低无机晶体固体固有晶格热导率 ( $\kappa_L$ ) 的一个根本性瓶颈。近期关于热输运的统一理论（Simoncelli 等人）将 $\kappa_L$ 分解为两个相互竞争的通道：源于半经典声子散射的粒子状传播 ( $\kappa^P_L$ )，以及源于能带间量子相干性的波状隧穿 ( $\kappa^C_L$ )。虽然通过复杂的晶体结构和重元素等策略可以有效地通过诱导强非谐性来抑制 $\kappa^P_L$ ，但这些策略往往会导致声子支密度增加。这种高密度增强了近简并模式之间的相干性，从而增加了 $\kappa^C_L$ ，限制了 $\kappa_L$ 的总降幅。相反，具有稀疏声子支的简单结构虽然能抑制 $\kappa^C_L$ ，但缺乏最小化 $\kappa^P_L$ 所需的非谐性。核心挑战在于如何同时抑制这两个通道，以打破目前约 0.1–0.3 W/mK 的下限。

研究方法
作者采用了一种结合第一性原理计算、机器学习势函数和统一热输运理论的多尺度计算方法。

结构建模： 研究重点关注一类准一维（quasi-1D）范德华（vdW）III–VI–VII 三元螺旋晶体：InSeI、GaSeI、GaSeI 和 AlSeI。
电子与晶格动力学： 使用带有 PBE 泛函和 DFT-D3 校正的密度泛函理论（DFT）进行几何优化和电子结构分析（电子局域函数，ICOHP）。利用由神经进化势（NEP）和多原子团簇展开（MACE）机器学习势驱动的温度依赖有效势（TDEP）方法，提取高达四阶的温度依赖原子间力常数（IFCs）。
热输运计算： 在改进的 FOURPHONON 软件中实现统一热输运理论，分别计算 $\kappa^P_L$ 和 $\kappa^C_L$ ，并考虑三声子（3ph）和四声子（4ph）散射。通过分析群速度矩阵（包括对角线和非对角线分量）以及声子寿命来理解输运机制。
验证： 利用基于训练好的 NEP 模型、包含大型超胞（>20,000 个原子）的均匀非平衡分子动力学（HNEMD）模拟对结果进行交叉验证。

主要贡献与结果
本文表明，在准一维螺旋晶体中，由弱链间相互作用和重元素引起的强声子局域化，为解耦双通道输运提供了一条稳健的途径。

解耦机制： 在这些材料中，重元素与弱范德华链间力的结合，将众多的声子支压缩成高度局域化的、近乎无色散的平坦能带。这种强局域化驱动群速度矩阵的对角线（粒子状）和非对角线（波状）分量同时趋向于零。因此， $\kappa^P_L$ 和 $\kappa^C_L$ 被协同抑制，克服了结构复杂性通常会增强相干隧穿的固有权衡。
InSeI 中的创纪录电导率： 对于代表性化合物 InSeI，室温下的链间热导率分量计算结果为 $\kappa^P_L = 0.145$ W/mK 和 $\kappa^C_L = 0.053$ W/mK，总 $\kappa_L$ 为 0.198 W/mK。沿链间方向的平均对角线群速度极低（0.073 km/s），约为链内方向的一半。
GaSeI 和 AlSeI 的新纪录： GaSeI 和 AlSeI 中更弱的链间相互作用进一步将室温下的链间 $\kappa_L$ 驱动至创纪录的低值，分别为 0.086 W/mK 和 0.089 W/mK。在 900 K 时，这些数值进一步下降至 0.058 W/mK 和 0.059 W/mK。
质量依赖性异常： 研究揭示了链间输运与链内输运相反的质量依赖性。虽然较轻的化合物（基于 Ga 和 Al）由于更强的共价键而表现出较高的链内 $\kappa_L$ ，但由于更松散的堆积和更离域的电子局域函数，它们表现出更低的链间 $\kappa_L$ ，这进一步削弱了范德华相互作用。
温度依赖性： 与许多在高溫下表现出弱或正温度依赖性的相干主导热绝缘体不同，这些准一维晶体在很宽的温度范围内表现出持续且陡峭的负温度依赖性，表明其对两种输运通道的抑制都是高效的。

意义
作者声称，这些发现确立了强声子局域化作为实现超低晶格热导率的一种强有力设计范式。通过利用维度限制（准一维 vdW 链）和声子工程来压平声子能带，可以解耦通常限制 $\kappa_L$ 最小化的双通道输运。这项工作为开发具有接近无机晶体固体基本极限的固有 $\kappa_L$ 值的高性能热绝缘体提供了理论基础，有望推动热电材料、热障涂层以及微电子热管理领域的发展。

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