TBSI吴军桥教授Science：发现二氧化钒反常电子热导率，“打破”物理定律

这是一个完全意料之外的发现。教科书上对于传统导体而言坚不可摧的物理定律在此材料上瓦解了。这项发现对于理解新颖导体的基本电子行为，具有根本的重要意义。 

——吴军桥

导读

最近，由美国伯克利加州大学材料科学与工程系教授、清华-伯克利深圳学院（TBSI）首席科学家之一吴军桥领衔的一项科学研究发现，处于金属态的二氧化钒的电子在导电时几乎不导热，打破了经典物理定律威德曼-弗朗兹（Wiedemann-Franz）定律。这项科学发现发表于2017年1月27日的世界顶尖学术杂志《科学》上，它将为凝聚态物理和热电系统以及散热技术带来一系列更为广泛的思考和应用。

如果你了解金属材料，你必定知道在金属中导电性和导热性存在相互影响、相互制约的关系。根据威德曼-弗朗兹（Wiedemann-Franz） 定律，导电性好的金属也具有较好的导热性质。这也是教科书上的金科玉律。

什么是威德曼-弗朗兹定律？

威德曼-弗朗兹（Wiedemann-Franz）定律，是关于材料「热导率λ」与「电导率σ」之间的关系的定律。德国物理学家G. H. 威德曼和R. 弗朗兹由大量实验事实发现，许多金属的热导率和电导率的比值都是一个常数，这一规律称为威德曼-弗朗兹（Wiedemann-Franz）定律。1891年H.A.洛伦兹进一步发现，比值λ/σT是与金属种类无关的常数，T是绝对温度，这常数用L表示，称洛伦兹常数。

简单点说，此定律说明，如果金属材料的导电性能越好，那么其导热性能也越好。

二氧化钒的奇异相变

然而，二氧化钒这种材料却打破了该经典物理定律。二氧化钒具有一个著名的金属-绝缘体相变，其相变温度比起其它多数金属-绝缘体相变材料的相变温度要高，在室温以上，为67˚C左右。在该温度以上，二氧化钒呈现金属性质，在该温度以下，其呈现绝缘体性质。相变前后其对红外光可产生由透射向反射的可逆转变。这一相变以及伴随的其它奇异性质，使得二氧化钒具有较广泛的应用前景，并吸引了众多研究者。

吴军桥教授评论说：“这是一个完全意料之外的发现。教科书上对于传统导体而言坚不可摧的物理定律在此材料上瓦解了。这项发现对于理解新颖导体的基本电子行为，具有根本的重要意义。”

研究过程

在研究二氧化钒电子输运行为的过程中，他们惊讶地发现，由电子运动引起的热导率还不及Wiedemann-Franz 定律预计的十分之一。对于这个现象，吴军桥教授解释道：“在此材料中，电子在运动时具有很强的相互关联性，就像液体一样，而不像普通金属中的电子表现为互不关联的单个粒子（单个粒子）。对于电子而言，热是一种随机运动。普通金属之所以可以有效地传导热量，是因为众多电子都在做随机的自由运动，就像一群散乱游客，它们可以在很多不同的微观形态之间随机跳转。而对于二氧化钒而言，其中的电子是相互关联的，其运动好比行进着的仪仗队。和散乱游客比起来，仪仗队的士兵们步调一致，从而压制了体系的随机性（也就是所谓的熵），这也就造就了二氧化钒的电子导热极低的特性。”

更值得注意的是，通过让二氧化钒与其他物质混合形成合金，可以调节其导电率和导热率的值。在单晶二氧化钒样本中掺入钨元素时，二氧化钒变成金属时的相变温度变低了。同时，金属相中的电子变成更好的导热体。这一特性，可被用来智能地调控其它体系的散热过程和内部温度。

相关应用

吴教授组的研究人员称，这种材料做成涂层，可以用于调控汽车引擎和电池的热量散发，或者用于玻璃涂层，可提高建筑物的空调和暖气的能效。相信在不久的未来，我们会发现二氧化钒更多奇艺的特性并开发应用于实际。

原文链接：Anomalously low electronic thermal conductivity in metallic vanadium dioxide

本文由清华-伯克利深圳学院（TBSI）投稿，材料人XRsmile编辑整理。

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