(a) La conducibilità termica in funzione della temperatura. Insert è la struttura a catena di BiSeI. (b) La morfologia delle catene a forma di filo in 1D BiSeI. Credito:©Science China Press
I ricercatori hanno segnalato un nuovo tipo di selenoalogenuri di bismuto a struttura cristallina (1-D) semplici (BiSeX, X =Br, I) con conducibilità termica estremamente bassa. Indagini sulla struttura cristallina rivelano che la conduttività termica ultrabassa è dovuta al legame chimico indebolito nella struttura a bassa dimensionalità, mostrando una struttura cristallina quasi-0-D. Questi risultati forniscono una nuova regola di selezione per la ricerca di materiali a bassa conduttività termica con potenziali applicazioni nei rivestimenti termoelettrici e a barriera termica.
Le basse proprietà di trasporto termico sono importanti per le applicazioni nei rivestimenti termoelettrici e a barriera termica. Oggi, le strategie per acquisire una bassa conduttività termica nei materiali sfusi includono difetti multiscala (atomici, nano e mesoscala), peso molecolare elevato, struttura cristallina complessa, cella elementare più grande e forte anarmonicità.
In un recente articolo in Scienza Cina Materiali , Il prof. Li-Dong Zhao dell'Università di Beihang e collaboratori hanno proposto una nuova strategia per ricercare una conduttività termica intrinsecamente bassa nella struttura cristallina unidimensionale. Utilizzando i calcoli dei primi principi e la sintesi sperimentale, hanno trovato un tipo di materiale con conducibilità termica estremamente bassa, BiSeX (X=Br, I) con una struttura a catena unidimensionale. I meccanismi alla base della bassa conduttività termica sono stati rivelati dall'aspetto della struttura cristallina mediante misurazioni della diffrazione di polvere di neutroni e microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM) con correzione dell'aberrazione regolabile in temperatura.
Per chiarire le origini della conduttività termica ultrabassa, gli autori hanno fatto confronti con diversi analoghi che mostrano cubic- (3-D), strutture cristalline a strati (2-D) e a catena (1-D), e ha scoperto che la conduttività termica ha mostrato una tendenza decrescente da 3-D, 2-D a 1-D a causa della forza del legame chimico tra la struttura a bassa dimensione che diventa progressivamente sempre più debole.
Strutture cristalline schematiche e funzioni di localizzazione elettronica (ELF) di 2D, 1D, e morbido 1D Bi2Se3, Sb2Se3 e BiSeI, rispettivamente. Diagrammi schematici e corrispondenti strutture cristalline di (a, d) Lastre 2D in Bi2Se3, (B, e) catena 1D in Sb2Se3 e (c, f) Catena 1D con migrazione di alogeni in BiSeI. Le strutture cristalline di Bi2Se3, Sb2Se3 e BiSeI visti lungo la direzione c sono dati in (g-i), rispettivamente. (j-l) L'ELF proiettato lungo la catena. Il livello di isosuperficie di ELF è 0,9. Credito:©Science China Press
"Sulla base di queste linee guida, abbiamo scoperto che il legame chimico lungo la catena si indeboliva ulteriormente con l'aggiunta di atomi di alogeno, " ha detto il Prof. Zhao. Pertanto, i legami chimici di BiSeX lungo tutte e tre le direzioni cristallografiche sono più deboli che in altri composti, mostrando una struttura cristallina quasi-0-D.
Diverso dal diamante ad altissima conducibilità termica (> 2000 W m -1 K -1 ) con forti legami covalenti tra atomi di carbonio, il trasporto fononico nei selenoalogenuri di bismuto era significativamente soppresso. Di conseguenza, presentano una conduttività termica estremamente bassa. "La conduttività termica di BiSeI a 573 K raggiunge ~ 0,27 W m -1 K -1 , che è vicino al valore minimo teorico, " ha detto il prof. Zhao.
Questi risultati aprono la prospettiva di ottenere materiali a bassa conduttività termica in una struttura sfusa unidimensionale contenente una catena con potenziali applicazioni nei campi dei rivestimenti a barriera termica, materiali termoelettrici, eccetera.
