最近，德國亞琛工業大學的研究員發現了一種多晶硅納米線，打破了Casimir極限和非晶極限，其熱導率值低于理論的預測值，這將對熱電領域帶來巨大的變化！

    一種多晶硅納米線的新材料，打破了Casimir極限和非晶極限。Casimir極限理論描述了納米結構的熱傳導率，該極限值的突破意味著新材料的導熱系數低于Casimir極限理論的預測值。因為非晶結構對熱載體具有強烈的散熱能力，所以非晶極限被認為是一種材料的最低熱導率。然而，由于其獨特的納米級設計，多晶硅納米線具有的熱導率卻低于非晶硅材料的三分之一。

    德國亞琛工業大學的研究員Yanguang Zhou和Ming Hu，把多晶硅納米線的成果發表在了最近一期的Nano Letters期刊上。

    研究者期望新材料能夠專門用在熱電領域。通過把熱能轉換成電能，熱電材料開辟了一條嶄新的道路，利用汽車排氣管、電廠和制造設備釋放的廢熱，將其轉化成有用的能源。

    一般情況下，好的熱電材料同時具有高的電導率和低的熱導率。只有兩者相互結合，才具有高的綜合熱電轉化效率。在最新的研究中，研究者的焦點集中在：如何在維持硅材料高電導率的同時降低熱導率。

    Zhou告訴Phys.org記者：“在這篇論文中，我們報道了一種新的結構——多晶納米線，這種結構能夠將熱導率減小到現有記錄的最低值，只有其對應非晶物質導熱率的三分之一。如果我們通過摻雜材料，保持材料的電導率和Seebeck系數不變，那么相比于塊體材料，多晶納米線將熱能轉化為電能的效率會提高277倍。”

    新型硅納米線低熱導率實現的關鍵在于它的多晶形式，其中包含了在隨機取向下不同形狀和大小的晶體結構。基于多晶硅納米線的平均晶粒尺寸（~3 nm），Casimir極限預測其熱導率不會低于~3 W/mK。但是，實驗人員的模擬表明，多晶硅納米線的熱導率只有0.7 W/mK，該值比塊體硅低269倍，比純硅納米線低77倍，比非晶硅納米線低3倍。

    研究人員解釋道，多晶結構的一個重要特征是晶體之間的晶界是不連續的。因此，晶界會阻礙并散射熱傳輸聲子，導致聲子不能在材料中長程移動（只有~1 nm）。而在其它硅材料中，晶界形成連續的網絡，聲子的移動距離大于1 ?m。

    當下的研究結果會引起一個問題：對于任何形式的硅納米線，可能的最低熱導率是多少。一般情況下，有兩種振動有助于熱導率：propagon和diffuson。研究者們認為通過將無序的納米孿晶結構引入到多晶硅納米線中，最大程度上降低它們的運輸，應該有可能完全消除propagon的貢獻。另一方面，由于材料內在結構的紊亂，導致Diffuson不能以這種方式減小。盡管如此，通過消除propagon的貢獻，研究者認為多硅納米線的熱導率可進一步減小20%。研究者計劃在未來的工作中實現這個目標。

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