《自然评论·物理学》(IF31.068)顶级期刊摘要:高压下的热导率

2月21日,Nature Reviews Physics发表了题为《压力下材料的热导率》的长文综述,系统介绍和总结了高压下气态、液态和固态材料热导率的测量方法和研究成果,以及相关的热输运机制,并对未来的研究方向进行了展望。北京高压科学研究中心是论文的第一作者,博士后周燕和博士生董作元为第一和第二作者,研究员陈晓佳为通讯作者。这项工作是与台湾“中央研究院”地质科学研究所的谢和美国华盛顿卡耐基学会地球与行星实验室的亚历山大·f·冈查罗夫***共同完成的。

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/articles/s42254-022-00423-9

压力作为调节材料物理化学性质的物理维度和窗口,带来了丰富多彩、前所未有的现象和结果,极大地促进了人们对压缩条件下特殊性质的认识,不仅可以检验常规条件下难以获得的技术参数和理论,还可以捕捉和再现常规压力条件下高压下实现的突出特性。虽然在过去的一个世纪里,高压技术在材料性质的表征和研究方面取得了突破,但高压下材料热导率的精确测量一直是高压研究中的一个难题。到了上世纪末,热导率的测量仍然局限在几个GPa,远远落后于同时期的其他技术表征近两个数量级。极大地限制了高压下材料的热传导、热扩散和热管理的研究,制约了对材料热性质的认识和发展。大的技术瓶颈突破来自于光谱测量方法的引入,超过10 GPa的热导率数据的获取仅仅是在过去的15年。由于这篇论文的作者主要参与了这些技术的开发和推广,所以他们在这篇综述中提供了详细的技术细节和应用场景。

他们总结了近年来高压热导率的研究进展,重点介绍了热电材料、地球中矿物材料和半导体材料在高压下热导率的研究成果,总结了压力改变这些材料热导率的行为和物理机制,以及隐含和潜在的科学意义。对于热电材料,研究表明压力可以有效地调节热电材料的热电优值。发现当压力达到某一临界值时,所研究的热电材料会发生拓扑相变,从而导致热电性能的增强。这些发现为提高材料的热电性能提供了新的途径。对于地学材料,他们指出,通过两种光学表征方法结合理论计算,可以从多方面探索地球深部矿物的热输运机制,从而了解地球内部的热力学活动。对于许多半导体材料来说,高压下热导率的研究主要依靠理论计算,半导体材料的热导率表现出复杂的各向异性,实验技术有待进一步提高。最后,展望了高压下热导率研究面临的机遇和挑战。

示意图:(a)产生高压的金刚石砧装置;(b)高压下热导率的光谱特征;(c)热导率随压力的变化。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。