克里斯·沃西，克莱姆森大学 斯里帕娜·巴特查亚(左)、普拉卡什·帕拉朱利和阿帕劳·拉奥的合作研究发表在《高级科学》杂志上
学分:科学学院 开创性的科学通常是真正合作的结果，不同领域、观点和经验的研究者以独特的方式走到一起
克莱姆森大学研究人员的一项这样的努力导致了一项发现，这项发现可能会改变热电科学向前发展的方式
研究生研究助理Prakash Parajuli研究助理教授Sriparna Bhattacharya克莱姆森纳米材料研究所(CNI)的创始主任阿帕奥·拉奥(CNI科学学院物理和天文系的所有成员)与一个国际科学家小组合作，以一种新的方式——利用光——研究高效热电材料
他们的研究发表在《高级科学》杂志上，题目是“高zT及其在掺锑锗单晶中的起源”
" “热电材料将热能转化为有用的电能；因此，人们对能最有效地转化它的材料很感兴趣 巴特查亚解释说，衡量该领域进展的关键是品质因数，称为zT，它高度依赖于热电材料的特性
许多热电材料的zT值为1-1
5，这也取决于热电材料的温度
直到最近才报道了zT为2或更高的材料
" “这就引出了一个问题，我们还能找到多少这样的材料，什么是新的基础科学，通过它可以获得大于2的zT？”饶接着说道
“基础研究是应用研究成长的种子，为了在热电领域保持领先地位，我们与中国科学院杨教授的团队合作
" 陈和饶的团队专注于碲化锗(GeTe)，一种单晶材料
巴特查亚说:“GeTe令人感兴趣，但是没有任何掺杂的普通GeTe并没有显示出令人兴奋的特性。”
“但是一旦我们加入一点点锑，它确实显示出良好的电子特性，以及非常低的热导率
" 虽然其他人已经报道了具有高zT的GeTe基材料，但这些是多晶材料
多晶在其形成的许多小晶体之间有边界
虽然这些边界有利地阻碍了热传递，但是它们掩盖了导致高zT的基本过程的起源
当锑掺杂剂浓度达到8原子%时，会产生一组新的声子，如右图中虚线椭圆所示
这组新的声子作为声子-声子相互作用的附加通道，这导致了热流的有效减少
学分:科学学院 “在这里，我们有纯的和掺杂的GeTe单晶，其热电性能还没有报道，”巴特查亚说
“因此，我们能够评估这些材料的内在特性，否则在存在竞争过程的情况下很难解读这些特性
这可能是第一个掺锑的GeTe晶体显示出这些独特的性能——主要是超低的热导率
" 这种低热导率令人惊讶，因为这种材料的简单晶体结构应该允许热量容易地流过整个晶体
“电子携带热和电，所以如果你阻挡电子，你就没有电，”帕拉朱莉说
因此，关键是通过被称为声子的量子化晶格振动来阻挡热流，同时允许电子流动
" 用适量的锑掺杂GeTe可以使电子流最大化，热流最小化
这项研究发现，每100个锗烷中存在8个锑原子会产生一组新的声子，这有效地减少了实验和理论上证实的热流
除了密度泛函理论计算之外，该团队与生长晶体的合作者一起进行了电子和热输运测量，以两种方式发现这一机制:首先，通过建模，使用热导率数据；第二，通过拉曼光谱，探测材料中的声子
“这是热电研究的一个全新角度，”饶说
“我们算是这方面的先驱——用光解码热电学中的热传导
我们利用光所发现的与通过热传输测量所发现的非常一致
热电学的未来研究应该使用光——这是阐明热电学中热传递的一种非常有效的非破坏性方法
你照亮样本，收集信息
你没有销毁样本
" 饶说，合作者广泛的专业知识是他们成功的关键
该小组包括前哲学博士刘凤娇
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CNI的学生；拉胡尔·拉奥，赖特帕特森空军基地空军研究实验室研究物理学家；奥利弗·兰库是南卡罗来纳州州长科学和数学学院的一名高中生，他通过克莱姆森的SPRI(实习生暑期项目)项目与该团队合作
由于大流行，该团队通过Zoom与Rancu合作，用另一个Matlab代码指导他进行帕拉朱利的一些计算。
“我非常感谢今年夏天有机会和CNI团队成员一起工作，”来自南卡罗莱纳州安德森的兰蔻说
“我学到了很多关于物理学和一般研究经验的东西
它真的是无价之宝，而这份研究出版物只是对一次已经很棒的经历的又一次补充
" “奥利弗给我留下了非常深刻的印象，”帕拉朱莉补充道
“他很快理解了理论的必要框架
"
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