固體材料的晶格熱導率是其重要的本征性質之一，在多個領域決定了材料的性能好壞😪，如需要低晶格熱導率的熱電領域🌦。熱電領域中對於晶格熱導率的理解長期基於Slack模型的這一簡化公式，而Slack模型決定的低熱導率機製主要集中於低聲速、大晶格非諧以及復雜晶體結構等，形成了固有的研究思路。從21世紀以來🩳，現代晶格熱導率理論計算中自然演化出的概念——由低頻光學聲子引起的大的散射相空間，是Slack模型中不存在的一種新的低熱導率機製🍷。並且通過對低頻光學聲子振動模式的分析🏘，還可以獲得與材料特有振動行為的認知🫀。這類通過對於材料聲子特性理論理解開展的工作雖有前期報道🚣🏿，但仍未得到熱電領域的重視。

万事平台材料基因組工程研究院楊炯教授團隊通過對低頻光學聲子的深刻理解，與多家知名單位合作，發表多篇頂級刊物。具體成果如下：

一👩🏻‍✈️、在與中國科學技術大學（合肥微尺度物質科學國家研究中心）肖翀教授團隊的緊密合作中🏊🏼，研究發現了非層狀的正交晶系化合物PbSnS₃中化學鍵強度的不均勻分布🏊‍♂️，這一特性導致其顯著的熱導率各向異性，甚至超越許多傳統層狀材料。該成果以楊炯教授團隊對聲子結構和各向異性熱輸運等第一性原理計算為重要分析手段，觀察到PbSnS₃低頻光學支模式的集體振動行為及其與聲學支的強耦合👣，該集體振動行為通常僅出現在層狀材料中。進一步分析發現✍🏻，Pb原子的孤對電子導致Pb-S鍵強度介於共價鍵/離子鍵和範德華力之間✡️🏃，促成了PbSnS₃中類似層狀材料的獨立振動單元的形成，從而產生了顯著的各向異性熱導率。這一發現不僅拓寬了高各向異性熱導率材料的探索範圍👏🏿，也為熱管理技術的發展提供了新的思路。該成果在以“Maldistribution of chemical bond strength inducing exceptional anisotropy of thermal conductivity in non-layered materials”為題，在《Angewandte Chemie International Edition》（IF=16.1）上發表。

圖（a）PbSnS₃的熱導率各向異性👨🏼‍🎨。（b）PbSnS₃單晶不同溫度下的熱導率各向異性。（c）經典熱管理材料在室溫下的熱導率各向異性比值。（d）PbSnS₃的聲子譜及聲子態密度。（e）PbSnS₃低頻光學支的振動模式示意圖。

二🫄、繼前期合作之後，楊炯教授團隊與肖翀教授團隊再次攜手，在《Journal of the American Chemical Society》（IF=14.4）上發表了題為“Interlayer Phonon Coupling from Heavy and Light Sublayers in a Natural Van der Waals Superlattice”的研究成果。該研究揭示了範德華超晶體材料中超低熱導率的起源。基於對超晶體材料和母體材料聲子結構和振動模式的第一性原理計算與分析，在超晶體中發現重亞層聲學聲子與輕亞層低頻光學聲子之間存在強烈耦合，該耦合導致聲子散射相空間降低🫎🏄🏽‍♀️，增強聲子散射進程，從而降低材料的熱導率。此外超晶格材料中還產生了不同於母體材料的新層間振動模式，表現出更低的聲速，進一步降低了對熱傳遞的貢獻。這一發現不僅為理解超晶格結構中聲子色散的影響提供了新的見解💆🏻‍♀️，而且為開發針對熱管理的功能性材料提供了指導。

圖（a）超晶格和母體材料不同方向的熱導率隨溫度變化🧔🏿‍♀️🧖🏼‍♀️。（b）超晶格在0~1.5 THz區域的聲子色散，其中紅色為SnS2亞層的貢獻。（c）-（e）為超晶格結構引入的三種代表性的新層間振動模式🔇。

三、另外🧏🏿，楊炯教授團隊與上海交通大學物理與天文學院馬傑教授團隊及材料學院魏天然教授團隊合作，在InSe塑性變形機製與力-熱耦合研究方面取得進展🧑🏿‍🚒，相關成果“Uncovering the phonon spectra and lattice dynamics of plastically deformable InSe van der Waals crystals”發表在著名國際期刊《Nature Communications》（IF=14.7）上👆🏿。該工作聚焦采用中子散射實驗與理論分析相結合的方法，闡明了InSe晶體層間塑性滑移、晶格非諧性𓀚、熱輸運性質之間的關系✷。在InSe範德華晶體中低頻光學聲子與聲學聲子沿Γ-M方向大致平行💼，呈現“嵌套效應”🤾🏻，進而開啟更多的聲子散射路徑💦，顯著增強三聲子相互作用強度🛌。聲子共振散射和嵌套效應使得軟模聲子被強烈散射而表現出大的聲子線寬，而強非諧性聲子顯著影響材料的熱輸運特性。該工作為無機塑性半導體材料的力學/變形行為和物理性能的耦合關聯研究建立了典型示範🥮，也為層狀三維晶體和二維材料的物性調控提供了新的思路🖐🏼。

圖(a) [K-K0]和(c) [HH0]方向的聲子譜（200 K）🗡，其中白線為AIMD計算的聲子譜，虛線為“消失”或過阻尼的ZA支；(c)聲子壽命對能量的依賴關系😡：藍色為實驗值👮，紫色為計算值🧑‍🦽；實心為200 K數據🧑🏼‍🏭，空心為50 K數據；(d) C_p/𝑇³與溫度的關系🧑🏻‍🏫；(3)面內和面外熱導率隨溫度的變化曲線🥴。

四、在與肖翀教授團隊的持續合作中，最新研究成果在《National Science Review》（IF=16.3）發表，題為“Extremely low lattice thermal conductivity in light-element materials”🪖，該研究報道了輕元素低鉀化合物KCu₄Se₃（KCu₄S₃）中的低晶格熱導率💡。本合作工作發現在簡單的square-net晶格中，KCu₄Se₃（KCu₄S₃）展現出獨特的分層結構👄，這一結構增加了化學鍵的復雜性，並產生了幾何形狀不對稱的子晶格，導致聲子譜更為平坦，聲子-聲子相互作用顯著增強🥹，展現出與重元素化合物相當的聲子-聲子相互作用強度與強非諧性。通過第一性原理計算，揭示了KCu₄Se₃中低頻光學聲子的顯著重疊現象，甚至與聲學聲子分支發生交叉🤹🏿‍♀️，為三聲子散射過程提供了大量的散射通道，指示了材料中強烈的聲子散射。這些特性共同導致KCu₄Se₃的極低晶格熱導率。這項研究不僅打破了輕元素材料難以實現極低晶格熱導率的傳統認知🥽，而且為設計新型低晶格熱導率材料提供了新的思路和策略🧑🏻‍🎄。

圖（a）KCu₄Se₃的聲子譜。（b）KCu₄Se₃的聲子態密度。（c）KCu₄Se₃的三聲子散射相空間👊🏽。（d）KCu₄Se₃的格林艾森常數。

上述工作中，材料基因組工程研究院的戴勝男博士、博士生劉璐、碩士畢業生林一飛為共同第一作者👷‍♀️，楊炯教授均為論文的共同通訊作者。在剛剛結束的2024全國熱電大會（重慶）中🧑🏿‍🎄，楊炯教授作為特邀嘉賓，為熱電領域廣大學生分享了他多年在熱電領域第一性原理計算與實驗的合作經驗。講座中再次強調了低頻光學聲子帶來的大散射相空間對於低熱導率的重要性，希望整個熱電領域的下一代工作者從啟蒙階段就從更加全面的角度理解熱輸運過程。

圖為楊炯教授在2024年全國熱電大會中作為特邀嘉賓做會前科研培訓講座🙋‍♂️。