亚琛大学、马普所等《AFM》：平行位错和柯氏气团可降低热电材料热导率！

位错通过散射声子在热输运中起重要作用。然而，对于本质上导热率低的材料（如热电材料），经典模型需要极高数量的位错(>10^12cm^-2)来进一步阻碍热传输。

近日，来自德国亚琛大学、马普所、同济大学、美国西北大学等单位的一项研究工作发现，在1×10^10 cm^-2的中等位错密度下，Na_0.025Eu_0.03Pb_0.945Te的热导率显著降低。通过相关的显微技术来进一步表征位错的（包括它们的排列、取向和局部化学性质），发现对它们的声子散射是至关重要的。电子沟道对比成像揭示了位错在单个晶粒内的均匀分布并且沿着四个<111>方向具有平行线。透射电子显微镜显示平行网络是边缘型的，并且在每组中共享相同的Burgers矢量。原子探针断层扫描揭示了掺杂钠在位错核心的富集，形成柯垂尔气团。位错网络在透射电镜原位加热过程中是稳定的。利用卡拉威输运模型，证明了位错的平行排列和柯垂尔气团使位错在声子散射中更加有效，这两种机制为降低隔热材料的热导率提供了新的途径。相关论文发表在材料领域顶级期刊Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202101214

总之，本文系统研究了极低晶格热导率的Eu_0.03Na_0.025Pb_0.945Te热电材料的微结构特征。通过关联来自同一区域的电子背散射diffraction (EBSD)、ECCI、TEM和APT测量，从晶粒尺寸长度尺度(15um)到原子尺度的结构表征。发现位错均匀地存在于整个合金中，它们对κ_L的还原贡献最大。特别地，这些位错形成平行网络组，每个平行于四个< 111 >方向之一排列。Pb空位和Na掺杂剂在位错核心周围分离，形成柯垂尔气团，为位错运动提供支撑。根据原位加热观察，位错网络在加热、淬火或等温退火过程中不表现出运动。

基于微结构缺陷的分布、数密度、尺寸和成分的量化，使用卡拉威模型评估它们对声子散射的贡献。位错的平行排列和钠科特雷尔气氛增强了它们的应变场的散射强度，并且它们在1×10^10cm^-2的中等数密度下解释了κ_L的显著降低。

本文强调不仅要了解缺陷的结构和化学特征，还要了解它们的大规模排列。所展示的相关显微术方法连接了多个长度尺度，并且是将复杂的微结构与功能材料的性质相关联的有力工具。（文：SSC）

图1|Eu_0.03Na_0.025Pb_0.945Te高光的纹理结构

图2|Eu_0.03Na_0.025Pb_0.945Te中位错的相关电子显微术

图3|原子探针断层扫描显示钠向位错核心的分离。

图4|受位错影响的热导率。