文摘
高压代表极端环境和材料的发现提供了机会1,2,3,4,5,6,7,8。热传输高静水压力下已经调查了超过100年,所有的测量晶体迄今为止表明单调递增晶格热导率。这里我们报告原位热传输测量新发现半导体晶体硼砷化物,并观察异常压力导热系数的依赖。我们使用超快光学、拉曼光谱和x射线非弹性散射测量检查光学和声学声子bandstructure进化的分支机构,以及热导率在不同的温度和压力下32帕。使用原子论的理论,我们认为竞争导热通道的异常高压行为互动的高阶非简谐振动物理固有的独特的声子bandstructure。我们的研究验证理论从头开始计算,我们表明,声子dynamics-resulting three-phonon竞争和four-phonon散射过程是超越预期从古典模型和常见的材料。本工作使用高压光谱结合原子论的理论作为一种强大的方法来探测复杂声子物理和提供基本的见解对于理解微观能源运输材料的极端属性。
这是一个预览的订阅内容,通过访问你的机构
访问选项
订阅自然+
得到直接在线访问自然和其他55个自然杂志
29.99美元
每月
订阅杂志
得到完整的期刊访问1年
199.00美元
只有3.90美元的问题
所有价格是净价格。
增值税将被添加后在付款。
税计算期间将完成付款。
买条
时间有限或全文访问ReadCube。
32.00美元
所有价格是净价格。
数据可用性
支持的数据块在本文和本研究的结果可从相应的作者。
引用
张,L。,Wang, Y., Lv, J. & Ma, Y. Materials discovery at high pressures.Nat。启板牙。217005 (2017)。
Konopkova, Z。,McWilliams, R. S., Gómez-Pérez, N. & Goncharov, A. F. Direct measurement of thermal conductivity in solid iron at planetary core conditions.自然534年,99 - 101 (2016)。
努森,m . d . et al .直接观察稠密液体突然insulator-to-metal过渡的氘。科学348年,1455 - 1460 (2015)。
波佐,M。,Davies, C., Gubbins, D. & Alfe, D. Thermal and electrical conductivity of iron at Earth’s core conditions.自然485年,355 - 358 (2012)。
妈,y . et al .透明密集的钠。自然458年,182 - 185 (2009)。
Dubrovinsky, l . et al。最不可压缩金属锇静态压力750帕以上。自然525年,226 - 229 (2015)。
Loubeyre, P。,Occelli, F. & Dumas, P. Synchrotron infrared spectroscopic evidence of the probable transition to metal hydrogen.自然577年,631 - 635 (2020)。
Fratanduono, d . e . et al .建立黄金和白金标准1 terapascal使用无冲击压缩。科学372年,1063 - 1068 (2021)。
布里奇曼,p W。高压物理(麦克米兰,1931)。
劳森,a高温导热的绝缘体。期刊。化学。固体3,155 - 156 (1957)。
Rodionov, k . p .问题的静水压力对绝缘材料的热导率的影响。理论物理。满足。Metallogr。6,160 - 164 (1958)。
Klemens, k . p .压力依赖热导率的非金属。在Proc。第九Conf。热导率533 - 534(美国原子能委员会,1969)。
松弛,g . aProc。Int相依在固体声子散射24(北方研究中心远离de Saclay, 1972)。
齐曼,j . M。电子和声子:交通现象的理论在固体(牛津大学出版社,1960)。
接过,g . & Schlomann大肠介质固体的导热系数变分技术。乙酰胆。Akad。威斯康星州。先验哲学。Math.-Phys。Kl。223,1366 - 1370 (1954)。
安德森,o . l .石英玻璃的德拜温度。期刊。化学。固体1241-52 (1959)。
Steigmeier e . f . & Kudman i III-V化合物在高温下的热导率。理论物理。牧师。132年,508 - 512 (1963)。
桌球,d &奇迹课程,f . La conductivite thermique de网格辅助高级温度。高温度。。3201 (1971)。
狼,g . h & Jeanloz r .振动模型单原子晶体的性质在压力下。理论物理。启B32,7798 - 7810 (1985)。
松弛,g . a .非金属晶体的热导率。固态物理。341 - 71 (1979)。
Gerlich, d &安德森,p .温度和压力影响的热导率和热容中海,CsBr追踪》和《犯罪现场调查》期刊。C:固态物理。15,5211 - 5222 (1982)。
Hakansson, b &安德森,p .导热系数和热固体氯化钠和奈承受压力的能力。期刊。化学。固体47,355 - 362 (1986)。
熊,X。,Ragasa, E. J., Chernatynskiy, A., Tang, D. & Phillpot, S. R. Lattice thermal conductivity of quartz at high pressure and temperature from the Boltzmann transport equation.j:。理论物理。126年215106 (2019)。
谢长廷,w . P。陈,B。李,J。,Keblinski, P. & Cahill, D. G. Pressure tuning of the thermal conductivity of the layered muscovite crystal.理论物理。启B80年180302 (2009)。
陈,B。,谢长廷,w . P。,C一个hill, D. G., Trinkle, D. R. & Li, J. Thermal conductivity of compressed H2O 22 GPa: Leibfried-Schlomann方程的一个测试。理论物理。启B83年132301 (2011)。
太,k . et al . MgSiO晶格热导率3钙钛矿和post-perovskite地幔边界。地球的星球。科学。列托人。349年,109 - 115 (2012)。
Broido, d . A。,林赛,L。&Ward, A. Thermal conductivity of diamond under extreme pressure: a first-principles study.理论物理。启B86年115203 (2012)。
道尔顿,d . A。,谢长廷,w . P。,Hohensee, G. T., Cahill, D. G. & Goncharov, A. F. Effect of mass disorder on the lattice thermal conductivity of MgO periclase under pressure.科学。代表。32400 (2013)。
Mukhopadhyay, s &斯图尔特,d . a极热导率的影响在压力下立方氮化硼。理论物理。启。113年25901 (2014)。
太阳,Z。,Yuan, K., Zhang, X. & Tang, D. Pressure tuning of the thermal conductivity of gallium arsenide from first-principles calculations.理论物理。化学。化学。理论物理。20.,30331 - 30339 (2018)。
林赛,L。,Broido, d . A。&Reinecke, T. L. First-principles determination of ultrahigh thermal conductivity of boron arsenide: a competitor for diamond?理论物理。启。111年25901 (2013)。
康,j·S。李,M。吴,H。,Nguyen, H. & Hu, Y. Experimental observation of high thermal conductivity in boron arsenide.科学361年,575 - 578 (2018)。
李,s . et al。高导热立方硼化镓晶体。科学361年,579 - 581 (2018)。
田,f . et al。不同寻常的高导热性硼砷化物大部分晶体。科学361年,582 - 585 (2018)。
Kang j . s . et al。硼冷却基板到氮化镓砷化物的集成设备。Nat。电子。4,416 - 423 (2021)。
崔,Y。,问in, Z., Wu, H., Li, M. & Hu, Y. Flexible thermal interface based on self-assembled boron arsenide for high-performance thermal management.Commun Nat。121284 (2021)。
Ravichandran: k & Broido d Non-monotonic压力依赖硼化镓的导热系数。Commun Nat。10827 (2019)。
康,j·S。李,M。吴,H。,Nguyen, H. & Hu, Y. Basic physical properties of cubic boron arsenide.达成。理论物理。列托人。115年122103 (2019)。
康,j·S。吴,H。李,M。&胡,Y。在trinsic low thermal conductivity and phonon renormalization due to strong anharmonicity of single-crystal tin selenide.Nano。19,4941 - 4948 (2019)。
Maradudin a . a &费恩,a . e .散射中子的非谐晶体。理论物理。牧师。128年,2589 - 2608 (1962)。
林赛,l . & Broido d . a . Three-phonon相空间,在半导体晶格热导率。期刊。提供者。事20.165209 (2008)。
冯,T。,林赛,L。&Ruan, X. Four-phonon scattering significantly reduces intrinsic thermal conductivity of solids.理论物理。启B96年161201 (2017)。
林赛,L。,Broido, d . A。Carrete, J。,Mingo, N. & Reinecke, T. L. Anomalous pressure dependence of thermal conductivities of large mass ratio compounds.理论物理。启B91年121202 (2015)。
毛,h·K。,Xu, J. A. & Bell, P. M. Calibration of the ruby pressure gauge to 800 kbar under quasi‐hydrostatic conditions.j .地球物理学。研究固体地球91年,4673 - 4676 (1986)。
昆兹,m . et al . beamline高压研究的先进光源弯曲超导磁铁作为源。j .同步加速器Rad。12,650 - 658 (2005)。
说,a . h . et al . High-energy-resolution非弹性散射x射线光谱仪在beamline 30-ID先进光子源。j .同步加速器Rad。27,827 - 835 (2020)。
Toellner, t·S。,Alatas, A. & Said, A. H. Six‐reflection meV‐monochromator for synchrotron radiation.j .同步加速器Rad。18,605 - 611 (2011)。
河流,m . et al .压缩机/ GSECARS充气系统的金刚石对顶砧先进光子源。高的媒体。Res。28,273 - 292 (2008)。
胡,Y。,Zeng, L., Minnich, A. J., Dresselhaus, M. S. & Chen, G. Spectral mapping of thermal conductivity through nanoscale ballistic transport.Nanotechnol Nat。10,701 - 706 (2015)。
康,j·S。,Ke, M. & Hu, Y. Ionic intercalation in two-dimensional van der Waals materials: in situ characterization and electrochemical control of the anisotropic thermal conductivity of black phosphorus.Nano。17,1431 - 1438 (2017)。
康,j·S。吴,H。&胡,Y。Thermal properties and phonon spectral characterization of synthetic boron phosphide for high thermal conductivity applications.Nano。17,7507 - 7514 (2017)。
李米。,康,j·S。&胡,Y。Anisotropic thermal conductivity measurement using a new asymmetric-beam time-domain thermoreflectance (AB-TDTR) method.启科学。Instrum。89年084901 (2018)。
李,m . et al .各向异性热边界阻力在2 d黑磷:实验和原子论的建模界面能量传输。放置板牙。31日,1901021 (2019)。
汤姆森,C。,Grahn, H. T., Maris, H. J. & Tauc, J. Surface generation and detection of phonons by picosecond light pulses.理论物理。启B34,4129 - 4138 (1986)。
林,H。,Stoner, R. J., Maris, H. J. & Tauc, J. Phonon attenuation and velocity measurements in transparent materials by picosecond acoustic interferometry.j:。理论物理。69年,3816 - 3822 (1991)。
赖特,o . b .厚度和声速测量与激光微微秒声学薄透明的电影。j:。理论物理。71年,1617 - 1629 (1992)。
佩兰,B。,Rossignol, C., Bonello, B. & Jeannet, J. C. Interferometric detection in picosecond ultrasonics.自然史B263年,571 - 573 (1999)。
奥哈拉,k . E。,Hu, X. & Cahill, D. G. Characterization of nanostructured metal films by picosecond acoustics and interferometry.j:。理论物理。90年,4852 - 4858 (2001)。
妈,W。,Miao, T., Zhang, X., Kohno, M. & Takata, Y. Comprehensive study of thermal transport and coherent acoustic-phonon wave propagation in thin metal film–substrate by applying picosecond laser pump–probe method.期刊。化学。C119年,5152 - 5159 (2015)。
冯,t &阮x量子力学预测four-phonon散射率和降低固体的导热系数。理论物理。启B93年045202 (2016);勘误表97年079901 (2018)。
粉丝,H。,吴,H。,林赛,L。&胡,Y。Ab initio investigation of single-layer high thermal conductivity boron compounds.理论物理。启BOne hundred.85420 (2019)。
吴,H。,粉丝,H。&胡,Y。Ab initio determination of ultrahigh thermal conductivity in ternary compounds.理论物理。启B103年L041203 (2021)。
巴罗尼年代。,de Gironcoli, S., Dal Corso, A. & Giannozzi, P. Phonons and related crystal properties from density-functional perturbation theory.启Mod。物理。73年,515 - 562 (2001)。
李米。,Dai, L. & Hu, Y. Machine learning for harnessing thermal energy: from materials discovery to system optimization.ACS的能量。7,3204 - 3226 (2022)。
斯利瓦斯塔瓦,g P。声子的物理学(泰勒和弗朗西斯,1990)。
霍恩p &科恩,w .非均匀电子气。理论物理。牧师。136年B864-B871 (1964)。
科恩,w . &骗局,l . j .自洽方程包括交换和关联效应。理论物理。牧师。140年A1133-A1138 (1965)。
Giannozzi, p . et al .量子咖啡:量子模拟模块和开源软件项目的材料。期刊。提供者。事21395502 (2009)。
Giannozzi, p . et al .先进功能材料模型与量子浓缩咖啡。期刊。提供者。事29日465901 (2017)。
多田野,T。,Gohda, Y. & Tsuneyuki, S. Anharmonic force constants extracted from first-principles molecular dynamics: applications to heat transfer simulations.期刊。提供者。事26225402 (2014)。
确认
我们感谢B。Kalkan就“同名同姓,K。阿姆斯特朗和B。Lavina技术帮助和讨论。Y.H.承认职业奖的支持下从美国国家科学基金会(NSF)批准号dmr - 1753393,斯隆格兰特研究奖学金。fg - 2019 - 11788, Vernroy Makoto渡边研究卓越奖。这项工作用计算和存储服务与霍夫曼2共享集群由加州大学洛杉矶分校提供数字研究所和教育的研究科技集团,和极端的科学和工程发现环境(XSEDE),由美国国家科学基金会支持号码aci - 1548562。本研究使用的资源在美国能源部(DOE)办公室用户设备,包括先进的光子源号合同下的阿贡国家实验室。DE-AC02-06CH11357劳伦斯伯克利国家实验室和先进的光源的号合同下。DE-AC02-05CH1123。
作者信息
作者和联系
贡献
Y.H.提出和指导研究。S.L.,Z.Q. and M.L. performed the experiments. H.W. performed the theory calculations. M.K. helped with the XRD study. A.A. helped with the IXS study. A.K. helped with technical discussions. The manuscript was prepared by S.L., Z.Q., H.W., M.L. and Y.H. with input from all co-authors.
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
同行评审
同行审查的信息
自然谢谢绮菅直人Koh和其他匿名审稿人(s)为他们的贡献的同行评审工作。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然保持中立在发表关于司法主权地图和所属机构。
扩展数据数据和表
扩展数据图1同步x射线衍射(XRD) BAs的测量及其与压力有关的晶格常数。
一个,同步加速器的x射线衍射模式BAs测量在不同压力(32.6 ~ 0 - GPa),验证所有高压力下的立方相的BAs没有相变。b,实验测量了与压力有关的晶格常数的BAs(圈),相比,从头开始计算(线)。
扩展数据图2同步加速器单晶x射线衍射测量。
例子衍射图像的BAs山峰都与立方相挂钩。
扩展数据图3 x射线非弹性散射(ix)光谱测量BAs晶体。
如图是散射峰,确定散射声子频率向量问3.5 (2.5 - 2.5)。
扩展数据图4 BAs样本测量布里渊散射振荡信号。
布里渊散射的快速傅里叶变换结果数据(嵌入)决定了布里渊频。
权利和权限
Springer性质或其许可方拥有独家出版协议下本文作者(年代)或其他情况下(年代);作者self-archiving接受这篇文章的手稿版本是完全由这样的出版协议的条款和适用法律。
关于这篇文章
引用这篇文章
李。,问in, Z., Wu, H.et al。异常热传输在高压下硼化镓。自然612年,459 - 464 (2022)。https://doi.org/10.1038/s41586 - 022 - 05381 - x
收到了:
接受:
发表:
发行日期:
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586 - 022 - 05381 - x
