Onderzoekers hebben een nieuw type eenvoudige eendimensionale (1-D) kristalgestructureerde bismutselenohalogeniden (BiSeX, X =Br, I) met extreem lage thermische geleidbaarheid. Onderzoeken naar de kristalstructuur onthullen dat de ultralage thermische geleidbaarheid te wijten is aan de verzwakte chemische binding in de laagdimensionale structuur, met een quasi-0-D kristalstructuur. Deze bevindingen bieden een nieuwe selectieregel om materialen met een lage thermische geleidbaarheid te zoeken met mogelijke toepassingen in thermo-elektriciteit en thermische barrièrecoatings.

De lage thermische transporteigenschappen zijn belangrijk voor toepassingen in thermo-elektriciteit en thermische barrièrecoatings. Vandaag, de strategieën om lage thermische geleidbaarheid in bulkmaterialen te verkrijgen omvatten defect op meerdere schalen (atomair, nano- en mesoschaal), zwaar molecuulgewicht, complexe kristalstructuur, grotere eenheidscel en sterke anharmoniciteit.

In een recent artikel in Wetenschap China-materialen , Prof. Li-Dong Zhao van Beihang University en collega's stelden een nieuwe strategie voor om intrinsiek lage thermische geleidbaarheid in eendimensionale kristalstructuur te zoeken. Door gebruik te maken van de eerste-principeberekeningen en experimentele synthese, ze vonden een soort materiaal met een extreem lage thermische geleidbaarheid, BiSeX (X=Br, I) met een eendimensionale kettingstructuur. De mechanismen achter de lage thermische geleidbaarheid werden onthuld vanuit het aspect van de kristalstructuur door neutronenpoederdiffractiemetingen en temperatuurafstembare aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM).

Om de oorsprong van ultralage thermische geleidbaarheid op te helderen, de auteurs maakten vergelijkingen met verschillende analogen die kubische (3-D), laag- (2-D) en kettingachtige (1-D) kristalstructuren, en ontdekte dat de thermische geleidbaarheid een dalende trend vertoonde van 3D, 2-D tot 1-D doordat de chemische bindingssterkte tussen de laagdimensionale structuur steeds zwakker en zwakker wordt.

"Op basis van deze richtlijnen we ontdekten dat de chemische binding langs de keten verder verzwakte met toegevoegde halogeenatomen, " zei Prof. Zhao. Daarom, de chemische bindingen van BiSeX langs alle drie de kristallografische richtingen zijn zwakker dan in andere verbindingen, met een quasi-0-D kristalstructuur.

Anders dan de ultrahoge thermische geleidbaarheid diamant (> 2000 W m ^-1 K ^-1 ) met sterke covalente bindingen tussen koolstofatomen, het fonontransport in bismutselenohalogeniden was significant onderdrukt. Als resultaat, ze vertonen een extreem lage thermische geleidbaarheid. "De thermische geleidbaarheid van BiSeI bij 573 K bereikt ~ 0,27 W m ^-1 K ^-1 , die dicht bij de theoretische minimumwaarde ligt, " zei prof. Zhao.

Deze bevindingen openen het perspectief van het bereiken van materialen met een lage thermische geleidbaarheid in een eendimensionale kettingbevattende bulkstructuur met mogelijke toepassingen op het gebied van thermische barrièrecoatings, thermo-elektrische materialen, enzovoort.