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。德國物理學(xué)家G.H.威德曼和R．弗朗茲于由大量實驗事實發(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.洛倫茲進一步發(fā)現(xiàn)，比值λ/σT是與金屬種類無關(guān)的常數(shù)，T是絕對溫度，這常數(shù)用L表示，稱洛倫茲數(shù)。

 

　　簡單點說，定律說明材料的導(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，在達到相變溫度時可以從絕緣體變化為金屬，相變前后其對紅外光可產(chǎn)生由透射向反射的可逆轉(zhuǎn)變。

 

　　在美國橡樹嶺國家實驗室納米相材料科學(xué)中心，美國田納西大學(xué)研究助理亞歷山大·特瑟勒夫與法國科學(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)生的多相競爭現(xiàn)象是由晶格對稱所引起的，在冷卻時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)。

 

　　伯克利實驗室材料科學(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、這項研究首席調(diào)查員吳軍橋評論說：

 

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

 

　　研究過程

 

　　吳教授和他領(lǐng)銜的研究團隊與來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室的杜克大學(xué)副教授 Olivier Delaire合作，展開了二氧化釩特性的研究。通過仿真和X射線散射實驗，他們梳理出材料的晶格振動（聲子）和電子運動，對于熱導(dǎo)率的影響比率。

 

　　令他們感到驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)由電子運動引起的熱導(dǎo)率，還未達到威德曼-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)通過從紅色的熱源板導(dǎo)藍色的感知板之間傳導(dǎo)的熱量測量計算而來。兩個板之間由VO2納米梁傳導(dǎo)熱量。

 

　　對于這個現(xiàn)象，吳教授如此解釋：“電子在運動時具有相互一致性，就像液體一樣，而不像普通金屬中的單個粒子。對于電子而言，熱量是一種隨機運動。普通金屬可以有效地傳導(dǎo)熱量，是由于單個電子可以在許多不同可能性的微觀形態(tài)之間跳轉(zhuǎn)。相對而言，二氧化釩中的電子，彼此協(xié)調(diào)一致，就像軍樂隊一樣，對于熱量傳導(dǎo)不利。這是由于電子可以隨機切換的形態(tài)變少了。”

 

　　尤其是，通過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，二氧化釩變成金屬時的相變溫度變低了。同時，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行相變時，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)。