(a) La conductividad térmica en función de la temperatura. Insertar es la estructura de cadena de BiSeI. (b) La morfología de las cadenas con forma de alambre en 1D BiSeI. Crédito:© Science China Press
Los investigadores han informado de un nuevo tipo de selenohaluros de bismuto estructurados con cristales unidimensionales simples (1-D) (BiSeX, X =Br, I) con conductividad térmica extremadamente baja. Las investigaciones sobre la estructura cristalina revelan que la conductividad térmica ultrabaja se debe al enlace químico debilitado en la estructura de baja dimensión, mostrando una estructura cristalina cuasi-0-D. Estos hallazgos proporcionan una nueva regla de selección para buscar materiales de baja conductividad térmica con aplicaciones potenciales en termoeléctricos y recubrimientos de barrera térmica.
Las bajas propiedades de transporte térmico son importantes para aplicaciones en termoeléctricos y recubrimientos de barrera térmica. Hoy dia, Las estrategias para adquirir baja conductividad térmica en materiales a granel incluyen defectos multiescala (atómicos, nano y mesoescala), peso molecular pesado, estructura cristalina compleja, celda unitaria más grande y fuerte anarmonicidad.
En un artículo reciente en Ciencia China Materiales , El profesor Li-Dong Zhao de la Universidad de Beihang y sus colaboradores propusieron una nueva estrategia para buscar una conductividad térmica intrínsecamente baja en una estructura cristalina unidimensional. Utilizando los cálculos de los primeros principios y la síntesis experimental, encontraron un tipo de material con conductividad térmica extremadamente baja, BiSeX (X =Br, I) con una estructura de cadena unidimensional. Los mecanismos detrás de la baja conductividad térmica se revelaron desde el aspecto de la estructura cristalina mediante mediciones de difracción de polvo de neutrones y microscopía electrónica de transmisión de barrido con corrección de aberración sintonizable de temperatura (STEM).
Para dilucidar los orígenes de la conductividad térmica ultrabaja, los autores hicieron comparaciones con varios análogos que exhiben cúbico- (3-D), estructuras cristalinas de capa (2-D) y en forma de cadena (1-D), y encontró que la conductividad térmica mostró una tendencia decreciente desde 3-D, 2-D a 1-D debido a que la fuerza de unión química entre la estructura de baja dimensión se vuelve cada vez más débil.
Estructuras cristalinas esquemáticas y funciones de localización electrónica (ELF) de 2D, 1D, y suave 1D Bi2Se3, Sb2Se3 y BiSeI, respectivamente. Diagramas esquemáticos y estructuras cristalinas correspondientes de (a, d) Losas 2D en Bi2Se3, (B, e) Cadena 1D en Sb2Se3 y (c, f) Cadena 1D con migración de halógenos en BiSeI. Las estructuras cristalinas de Bi2Se3, Sb2Se3 y BiSeI vistos a lo largo de la dirección c se dan en (g-i), respectivamente. (j-l) El ELF proyectado a lo largo de la cadena. El nivel de isosuperficie de ELF es 0,9. Crédito:© Science China Press
"Según estas pautas, descubrimos que el enlace químico a lo largo de la cadena se debilitó aún más con la adición de átomos de halógeno, ", dijo el profesor Zhao. Por lo tanto, los enlaces químicos de BiSeX a lo largo de las tres direcciones cristalográficas son más débiles que en otros compuestos, mostrando una estructura cristalina cuasi-0-D.
A diferencia del diamante de conductividad térmica ultra alta (> 2000 W m -1 K -1 ) con fuertes enlaces covalentes entre átomos de carbono, el transporte de fonones en selenohaluros de bismuto se suprimió significativamente. Como resultado, presentan una conductividad térmica extremadamente baja. "La conductividad térmica de BiSeI a 573 K alcanza ~ 0,27 W m -1 K -1 , que está cerca del valor mínimo teórico, "dijo el profesor Zhao.
Estos hallazgos abren la posibilidad de lograr materiales de baja conductividad térmica en una estructura a granel que contiene cadenas unidimensionales con aplicaciones potenciales en los campos de los recubrimientos de barrera térmica. materiales termoeléctricos, etc.
