热电硅材料，成功突破“两道防线”！

材料牛注：最近，德国亚琛工业大学的研究员发现了一种多晶硅纳米线，打破了Casimir极限和非晶极限，其热导率值低于理论的预测值，这将对热电领域带来巨大的变化！

一种多晶硅纳米线的新材料，打破了Casimir极限和非晶极限。Casimir极限理论描述了纳米结构的热传导率，该极限值的突破意味着新材料的导热系数低于Casimir极限理论的预测值。因为非晶结构对热载体具有强烈的散热能力，所以非晶极限被认为是一种材料的最低热导率。然而，由于其独特的纳米级设计，多晶硅纳米线具有的热导率却低于非晶硅材料的三分之一。

德国亚琛工业大学的研究员Yanguang Zhou和Ming Hu，把多晶硅纳米线的成果发表在了最近一期的Nano Letters期刊上。

研究者期望新材料能够专门用在热电领域。通过把热能转换成电能，热电材料开辟了一条崭新的道路，利用汽车排气管、电厂和制造设备释放的废热，将其转化成有用的能源。

一般情况下，好的热电材料同时具有高的电导率和低的热导率。只有两者相互结合，才具有高的综合热电转化效率。在最新的研究中，研究者的焦点集中在：如何在维持硅材料高电导率的同时降低热导率。

Zhou告诉Phys.org记者：“在这篇论文中，我们报道了一种新的结构——多晶纳米线，这种结构能够将热导率减小到现有记录的最低值，只有其对应非晶物质导热率的三分之一。如果我们通过掺杂材料，保持材料的电导率和Seebeck系数不变，那么相比于块体材料，多晶纳米线将热能转化为电能的效率会提高277倍。”

新型硅纳米线低热导率实现的关键在于它的多晶形式，其中包含了在随机取向下不同形状和大小的晶体结构。基于多晶硅纳米线的平均晶粒尺寸（~3 nm），Casimir极限预测其热导率不会低于~3 W/mK。但是，实验人员的模拟表明，多晶硅纳米线的热导率只有0.7 W/mK，该值比块体硅低269倍，比纯硅纳米线低77倍，比非晶硅纳米线低3倍。

研究人员解释道，多晶结构的一个重要特征是晶体之间的晶界是不连续的。因此，晶界会阻碍并散射热传输声子，导致声子不能在材料中长程移动（只有~1 nm）。而在其它硅材料中，晶界形成连续的网络，声子的移动距离大于1 µm。

当下的研究结果会引起一个问题：对于任何形式的硅纳米线，可能的最低热导率是多少。一般情况下，有两种振动有助于热导率：propagon和diffuson。研究者们认为通过将无序的纳米孪晶结构引入到多晶硅纳米线中，最大程度上降低它们的运输，应该有可能完全消除propagon的贡献。另一方面，由于材料内在结构的紊乱，导致Diffuson不能以这种方式减小。尽管如此，通过消除propagon的贡献，研究者认为多硅纳米线的热导率可进一步减小20%。研究者计划在未来的工作中实现这个目标。

原文链接：Thermoelectric silicon material reaches record-low thermal conductivity。

文献链接：Record Low Thermal Conductivity of Polycrystalline Si Nanowire: Breaking the Casimir Limit by Severe Suppression of Propagons。

本文由编辑部杨超提供素材，刘纯编译，万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。