研究發(fā)現(xiàn)二氧化釩超低熱導(dǎo)率,“打破”物理定律

 

　　威德曼-弗朗茲定律

 

　　威德曼-弗朗茲定律，是關(guān)于材料「熱導(dǎo)率λ」與「電導(dǎo)率σ」之間的關(guān)系的定律。德國(guó)物理學(xué)家G.H.威德曼和R．弗朗茲于由大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)發(fā)現(xiàn)，許多金屬的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率的比值都是一個(gè)常數(shù)，這一規(guī)律稱為威德曼一弗朗茲定律。1891年H.A.洛倫茲進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，比值λ/σT是與金屬種類無(wú)關(guān)的常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，這常數(shù)用L表示，稱洛倫茲數(shù)。

 

　　簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，定律說(shuō)明材料的導(dǎo)電性能越好，那么導(dǎo)熱性能也越好良好。

 

　　二氧化釩

 

　　然而，二氧化釩材料卻是一個(gè)例外，它并不遵守這一定律。

 

　　二氧化釩是一種具有相變性質(zhì)的金屬氧化物，其相變溫度為67℃左右，在達(dá)到相變溫度時(shí)可以從絕緣體變化為金屬，相變前后其對(duì)紅外光可產(chǎn)生由透射向反射的可逆轉(zhuǎn)變。

 

　　在美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室納米相材料科學(xué)中心，美國(guó)田納西大學(xué)研究助理亞歷山大·特瑟勒夫與法國(guó)科學(xué)家合作，借助凝聚物理學(xué)理論成功地解釋了二氧化釩的相行為。他們發(fā)現(xiàn)二氧化釩發(fā)生的多相競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象是由晶格對(duì)稱所引起的，在冷卻時(shí)二氧化釩晶格能夠以不同的方式發(fā)生“折疊”，因此人們所觀察到的現(xiàn)象是二氧化釩不同的折疊形態(tài)。

 

　　伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部門的物理學(xué)家、加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)和工程系教授、這項(xiàng)研究首席調(diào)查員吳軍橋評(píng)論說(shuō)：

 

　　“這是一個(gè)完全意想不到的發(fā)現(xiàn)！教科書上對(duì)于傳統(tǒng)導(dǎo)體來(lái)說(shuō)牢不可破的物理定律，由于這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)而瓦解了。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解新穎的導(dǎo)體的基本電子行為，具有根本的重要意義。”

 

　　研究過(guò)程

 

　　吳教授和他領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)與來(lái)自美國(guó)能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的杜克大學(xué)副教授 Olivier Delaire合作，展開了二氧化釩特性的研究。通過(guò)仿真和X射線散射實(shí)驗(yàn)，他們梳理出材料的晶格振動(dòng)（聲子）和電子運(yùn)動(dòng)，對(duì)于熱導(dǎo)率的影響比率。

 

　　令他們感到驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)由電子運(yùn)動(dòng)引起的熱導(dǎo)率，還未達(dá)到威德曼-弗朗茲定律的期望值的十分之一。

 

　　由伯克利研究人員合成的二氧化釩納米梁（VO2），具有奇異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性。在假彩色掃描電子顯微鏡圖像中，導(dǎo)熱系數(shù)通過(guò)從紅色的熱源板導(dǎo)藍(lán)色的感知板之間傳導(dǎo)的熱量測(cè)量計(jì)算而來(lái)。兩個(gè)板之間由VO2納米梁傳導(dǎo)熱量。

 

　　對(duì)于這個(gè)現(xiàn)象，吳教授如此解釋：“電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有相互一致性，就像液體一樣，而不像普通金屬中的單個(gè)粒子。對(duì)于電子而言，熱量是一種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。普通金屬可以有效地傳導(dǎo)熱量，是由于單個(gè)電子可以在許多不同可能性的微觀形態(tài)之間跳轉(zhuǎn)。相對(duì)而言，二氧化釩中的電子，彼此協(xié)調(diào)一致，就像軍樂隊(duì)一樣，對(duì)于熱量傳導(dǎo)不利。這是由于電子可以隨機(jī)切換的形態(tài)變少了。”

 

　　尤其是，通過(guò)讓二氧化釩與其他物質(zhì)混合，可以調(diào)節(jié)其導(dǎo)電和導(dǎo)熱的數(shù)量。當(dāng)研究人員在單晶二氧化釩樣本中摻入金屬鎢時(shí)，二氧化釩變成金屬時(shí)的相變溫度變低了。同時(shí)，金屬相中的電子變成更好的導(dǎo)熱體。這使得二氧化釩從絕緣體向金屬進(jìn)行相變時(shí)，研究人員可以控制散發(fā)的熱量，反之亦然，溫度也可以調(diào)節(jié)。