冷中子发现有助于将热量转化为电能的“松散”原子动力学

用中子散射测量，加热锡硫化物晶体时原子晶格振荡波的演变。

“冷中子”揭示了使热电材料具有低导热性的原子动力学。

杜克大学的材料科学家发现了一种原子机理，该机理使某些热电材料在高温相变附近极为有效。这些信息将有助于填补此类材料的计算模型中的关键知识空白，可能使研究人员能够发现依赖于将热能转化为电能的技术的新的更好的选择。

研究结果于本月初在线发表在《自然通讯》杂志上。

当电子从材料的热侧迁移到冷侧时，热电材料将热量转换为电能。由于需要在两侧之间提供温差，因此研究人员对尝试使用这些材料从汽车的排气管的热量中发电或回收发电厂中作为热量损失的能量感兴趣。

在过去的几年中，使用一种新兴的材料硒化锡及其姊妹化合物硫化锡创下了热电效率的新记录。硫化物的热电性能还不够好，但由于其生产成本低廉且对环境更加友好，因此正在进一步优化。

尽管科学家们知道这两种化合物都是出色的热电材料，但他们并不完全知道为什么。在这项新研究中，杜克大学机械工程和材料科学副教授Olivier Delaire和他的两名研究生Tyson Lanigan-Atkins和Shan Yang试图弥补这一知识空白。

Delaire说：“我们想尝试理解为什么这些材料具有如此低的热导率，从而有助于实现其众所周知的强大的热电性能。”“利用中子散射测量和计算机模拟的强大组合，我们发现这与材料在高温下的原子振动有关，这是前所未有的。”

低导热率是任何优质热电材料的必要组成部分。由于发电过程需要在其两侧之间进行散热，因此可以阻止热量散布在两侧的材料表现良好。

为了了解硫化锡在运行中的原子振动，Delaire和Lanigan-Atkins将样品带到了橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆。通过将中子从硫化锡的原子上跳出来，并检测它们的最终位置，研究人员可以确定原子的位置以及它们在晶体晶格中的整体振动方式。

ORNL的设施特别适合该任务。由于硫化锡的原子振动相对较慢，因此研究人员需要足够精细的低能“冷”中子来观察它们。ORNL拥有世界上最好的冷中子仪器。

Delaire说：“我们发现硫化锡有效地具有某些'松散的'振动模式。”“而且其特性与晶格固有的不稳定性有关。”

在较低的温度下，硫化锡是一种层状材料，锡和硫化物的扭曲网格位于另一层的顶部，像手风琴一样呈波纹状。但是，在接近其华氏980度的相变点的温度（热电发电机经常在该温度下运行）时，扭曲的环境开始崩溃。就像是魔术一样，这两层再次变得不失真且更加对称，这就是“松软”发挥作用的地方。

由于该材料在高温下在两个结构装置之间晃动，因此其原子不再像调谐好的吉他弦那样一起振动，而是非谐地阻尼。为了更好地理解这一点，可以将震动严重的汽车想象为具有谐波振动-经过一点点颠簸后，它会一直跳动很长时间。但是适当的冲击会减弱该振动，使其不和谐，并使其长时间不振动。

“热波通过材料中的原子振动传播，” Delaire说。“因此，当硫化锡中的原子振动变得松散时，它们不会很快传播振动，并且也不会振动很长时间。这是其阻止热量在其中传播的能力的根本原因。”

掌握了这些结果之后，Delaire和Yang试图通过计算来确认和理解它们。使用劳伦斯伯克利国家实验室的超级计算机，Yang能够在高温下重现相同的非谐效果。除了证实他们在实验中看到的东西之外，德莱尔还说，这些更新的模型将使研究人员能够更好地搜索用于明天的技术中的新热电材料。

Delaire说：“该领域的研究人员并未考虑温度对传热速度的强烈依赖性，而这种模型表明该变量的重要性。”“采用这些结果和其他理论上的进展将使材料科学家更容易预测其他好的热电材料。”

这项研究得到了能源部（DE-SC0019299，DE-SC0016166）的支持。

引文：T. Lanigan-Atkins，S. Yang，JL Niedziela，D.Bansal，AF May，AA Puretzky，JYY Lin，DM Pajerowski，T. Hong，S. Chi，“ SnS和SnSe中声子分散体的扩展非谐崩溃”，AF。 G.Ehlers和O.Delaire，2020年9月4日，自然通讯。DOI：
10.1038 / s41467-020-18121-4