中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
SF05組供稿
第51期
2022年06月20日
超弱電-聲耦合強度與超高熱導率的潛在關聯

  立方硼砷(c-BAs)因其超高熱導率(接近金剛石,石墨烯等)引起了人們極大的興趣,對其熱導機理的研究也在不斷深入。眾所周知,固體材料的導熱機理主要為電子導熱和聲子導熱兩種,大多數固體屬于前者,少數屬于后者的導熱材料往往表現出超高熱導率。迄今人們的研究表明半導體材料c-BAs的超高熱導率屬于后者,是聲子-聲子散射導熱,將其機制歸因于光學支聲子與聲學支聲子之間巨大的能量差。然而,很少有研究討論是什么原因決定了固體中共存的(電子導熱v.s.聲子導熱)哪一種導熱方式勝出,即:為什么有的材料是電子導熱而有的材料是聲子導熱?為什么有的透明材料是熱的良導體而有的則是熱的不良導體。

  近期,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心SF05組趙繼民研究員及其指導的博士生田珍耘、實習生張倩瑜、肖雅文對高熱導材料c-BAs進行了更深入的超快光譜研究。他們通過激發光生載流子,利用變溫和變能流密度實驗觀測準粒子弛豫過程中電子-聲子相互作用(圖1),獲得了c-BAs的電-聲子耦合強度,發現其數值非常小,是迄今所報道的最弱的電-聲耦合強度(圖2)。同時,基于國際上已發表于的石墨烯超快光譜數據,他們估算發現石墨烯的電聲耦合強度也非常弱。他們據此推斷很有可能超弱的電聲耦合強度是超高熱導材料所具有的普遍共性,為未來探索及設計高熱導材料提供了新的思路:只有電聲耦合強度極弱的材料才有可能表現出超高熱導率(采用超快光譜或拉曼光譜等實驗手段可以進行篩選)。

  他們對物理圖像的理解如下:如果一個材料具有較強的電聲耦合強度,在熱傳導的過程中聲子會被電子“粘”住,等效于包裹上許多電子從而產生“拖拽”效果(圖3),導熱機理就不再是純粹的聲子-聲子散射來主導了,與電子導熱的材料相比,不再具有非常高的導熱系數了。為了使聲子-聲子導熱機理能顯現出來,只有在電聲耦合強度極小的材料里才有可能實現。以往的研究一般只孤立地考慮電子導熱模型或孤立地考慮聲子導熱模型,本研究促使人們思考這兩個獨立機制之間的潛在關聯:什么機制導致了其中之一在導熱過程中起主導作用。

  該工作是與鄭州大學的梁二軍教授、休斯頓大學的任志峰教授、包吉明教授、V. G. Hadjiev研究員、博士生G. A. Gamage和F. Tian、國家納米中心岳帥副研究員等合作完成的。相關工作近期發表在【Physical Review B 105, 174306 (2022)】上。該研究獲得了科技部、基金委、中科院、北京市基金委的大力支持。

相關工作鏈接:
[1] Z. Y. Tian, Q. Y. Zhang, Y. W. Xiao, G. A. Gamage, F. Tian, S. Yue, V. G. Hadjiev, Jiming Bao, Zhifeng Ren, Erjun Liang, and Jimin Zhao, Ultraweak electron-phonon coupling strength in cubic boron arsenide unveiled by ultrafast dynamics, Phys. Rev. B 105, 174306 (2022).  (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.174306)


圖1 高熱導材料c-BAs的激發態準粒子超快動力學


圖2 高熱導材料c-BAs的瞬態弛豫機理—電-聲耦合強度的實驗觀測


圖3 電聲耦合強度在確定絕緣體或半導體中哪種導熱機制占主導地位時所起的作用