Исследовательская группа из Орхусского университета (Дания) измерила и объяснила исключительно низкую теплопроводность кристаллического материала AgGaGe$3$Se$8$. Несмотря на упорядоченную структуру, материал ведёт себя как стекло с точки зрения переноса тепла, что делает его одним из наименее теплопроводных кристаллических твёрдых веществ, известных на сегодняшний день.
При комнатной температуре AgGaGe$3$Se$8$ демонстрирует теплопроводность всего 0,2 ватта на метр-Кельвин, что в три раза ниже, чем у воды, и в пять раз ниже, чем у типичного кварцевого стекла. Материал состоит из серебра (Ag), галлия (Ga), германия (Ge) и селена (Se) и ранее изучался за его оптические свойства.
Исследователи из Центра комплексных исследований материалов iMAT при Орхусском университете впервые измерили его свойства переноса тепла и определили структурные причины его необычно низкой теплопроводности.
Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Секрет заключается в поведении атомов серебра. Вместо того чтобы быть зафиксированными на месте в кристаллической решётке, атомы серебра слабо связаны и движутся хаотично. Этот внутренний беспорядок нарушает распространение фононов — вибраций, которые обычно переносят тепло через твёрдые тела, — и приводит к тому, что перенос тепла нарушается таким образом, который обычно наблюдается в аморфных материалах, таких как стекло.
Примечательно, что такое стеклоподобное поведение сохраняется в широком диапазоне температур — от 2 до 700 Кельвин (−271 °C до 400 °C), что весьма необычно для кристаллического материала.
Материалы с очень низкой теплопроводностью представляют интерес для широкого спектра применений, таких как термоэлектрические модули, преобразующие тепло в электричество, или в качестве тепловых барьеров в микроэлектронике и в условиях высоких температур. Однако AgGaGe$3$Se$8$ в его нынешнем виде неприменим, поскольку плохо проводит электричество и содержит германий — относительно редкий и дорогой элемент.
Исследование вносит вклад в фундаментальную науку о материалах. Изучая, как определённые структурные особенности влияют на перенос тепла, исследователи получают ценную информацию о том, как проектировать материалы с заданными свойствами теплопроводности — важный аспект в разработке будущих технологий в энергетике, вычислительной технике и аэрокосмической отрасли.
Результаты основаны на сочетании тепловых измерений и данных, полученных с помощью синхротронного рентгеновского рассеяния на установке Spring-8 в Японии.
Предоставлено Орхусским университетом.