作者肯·金格里，杜克大学 用中子散射测量硫化锡晶体加热时原子晶格振荡波的演变
学分:泰森·拉尼根-阿特金斯，德莱尔集团，杜克大学 杜克大学的材料科学家发现了一种原子机制，这种机制使得某些热电材料在高温相变附近非常有效
这些信息将有助于填补这类材料计算模型中的关键知识空白，有可能让研究人员发现新的、更好的依赖于将热能转化为电能的技术选择
该结果于9月4日在线发表在《自然通讯》杂志上
当电子从材料的热端迁移到冷端时，热电材料将热量转化为电能
因为需要在其两侧提供温差，研究人员有兴趣尝试使用这些材料从汽车排气管的热量中发电，或者回收发电厂中作为热量损失的能量
在过去的几年里，一种叫做硒化锡及其姊妹化合物硫化锡的新兴材料创造了热电效率的新记录
硫化物型还没有热电好，但它正在进一步优化，因为它生产成本更低，更环保
虽然科学家知道这两种化合物都是极好的热电材料，但他们不知道具体原因
在新的研究中，杜克大学机械工程和材料科学副教授奥利维尔·德莱尔和他的两个研究生泰森·拉尼根-阿特金斯和杨山试图填补一点知识空白
“我们想试着理解为什么这些材料具有如此低的热导率，这有助于实现它们众所周知的强热电特性，”德莱尔说
“利用中子散射测量和计算机模拟的强大结合，我们发现它与材料在高温下的原子振动有关，这是以前没有人见过的
" 低热导率是任何好的热电材料的必要成分
因为发电需要两侧之间的温差，所以阻止热量在两侧扩散的材料表现良好是有道理的
为了观察硫化锡的原子振动，德莱尔和拉尼根-阿特金斯将样品带到橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆
通过从硫化锡原子上反弹中子，并检测它们在哪里结束，研究人员可以确定原子在哪里，以及它们如何在晶格中集体振动
ORNL的设施特别适合这项任务
因为硫化锡的原子振动相对较慢，研究人员需要低能量的“冷”中子，这些中子足够精细，可以看到它们
ORNL拥有世界上最好的冷中子仪器
“我们发现硫化锡实际上具有某些非常‘松软’的振动模式，”德莱尔说
“它的性质与其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，由扭曲的锡和硫化物网格叠加而成，波纹状类似手风琴
但是当温度接近980华氏度的相变点时——这是热电发电机经常工作的地方——这种扭曲的环境开始崩溃
这两层，就像变魔术一样，再次变得不失真，更加对称，这就是“歪倒”发挥作用的地方
因为这种材料在高温下在两种结构排列之间晃动，它的原子不再像调谐良好的吉他弦一样一起振动，而是变成非简谐振动阻尼
为了更好地理解这一点，把一辆受到严重冲击的汽车想象成一辆简谐振动的汽车——它会在经过最轻微的颠簸后保持很长时间的跳动
但是适当的震动会减弱这种振动，使其不和谐，并阻止其长时间振荡
“热浪通过材料中的原子振动传播，”德莱尔说
“所以当硫化锡中的原子振动变得松软时，它们不会很快传递振动，也不会振动很长时间
这是它能够阻止热量在其中传播的根本原因
" 有了这些结果在手，德莱尔和杨试图通过计算来确认和理解它们
利用劳伦斯·伯克利国家实验室的超级计算机，杨能够在高温下重现同样的非谐效应
除了证实他们在实验中看到的，德莱尔说，这些更新的模型将使研究人员能够更好地寻找新的热电材料，用于未来的技术
“该领域的研究人员还没有考虑到温度对热传播速度的强烈依赖性，这个模型显示了这个变量有多重要，”德莱尔说
“采用这些结果和其他理论进展将使材料科学家更容易预测其他好的热电材料
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