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违背韦德曼-弗朗兹定律 导电但不导热的金属二氧化钒

来源:新材料在线|

发表时间:2017-01-29

点击:10100

二氧化钒非同寻常的特性可被应用于热电子及窗口涂层等方面。


科学家发现二氧化钒的电子能导电,但不导热,这一在非传统材料中的奇异特性。该特性能被应用于热电子及窗口涂层方面。


由伯克利的研究人员合成的二氧化钒纳米梁表现出奇特的热电特性,在这张伪色彩的图片中,导热性通过阻热源垫到热探测垫的热传导来测量。两块垫子之间通过二氧化钒纳米梁来进行桥接。


在材料领域中出现了一个打破常规的发现,这一由国际科学家团队所做的新发现,为金属的这种不守常规的声誉增加了更多的支持性证据。


根据位于伯克利的加利佛里亚大学的,能源部的劳伦斯伯克利国家实验室的科学家的,最新研究成果显示,二氧化钒内的电子在没有热传导的情况下,能够导电。


该发现已发表在一月27日那一期的《科学》杂志上,同时还可广泛应用于,如将发动机及应用中的的费热转化为电能等方面的应用上。


大多数金属的导电性与导热性的关系都遵循韦德曼-弗朗兹定律。简单来讲,该定律就是说,优良的电导体也必是优良的热导体。但那不适用于金属二氧化钒,该材料在温暖的67摄氏度,或152华氏度的温度条件下,表现出不同寻常的从一个绝缘体向金属导体转化的能力“总之这是一个令人意外的发现,”伯克利实验室材料科学部门门的科学家,及加州大学伯克利分校的材料科学工程的教授,研究项目的负责人吴君桥说:“它严重违背了教课书上的,具有对传统导体很强的普实性的原则定律。这一发现对于特殊的导体的基本电子行为特性的理解,具有重大意义。”


在二氧化钒特性研究期间,参与吴及其研究团队的还有奥利弗.德赖尓,一名能源部橡树嶺国家实验室及杜克大学的联合教授。运用模拟及x射线散射实验的结果,研究人员能够梳理出材料晶格的震动,即声子和电子运动在导热性方面的作用的比例分布。


令他们吃惊的是,他们发现电子在导热性方面的作用,要比韦德曼――弗朗兹定律所预期的结果小十倍。电子的运动非常像液体,相互之间协调一致,反而不像金属里面的单个粒子,“吴说,“对于电子,热运动是一个随机的运动,普通金属能有效导热,是由于有许多各种不同可能性的,能供电子在它们之间跳动的微观结构。相反,二氧化钒的协调一致,像仪仗队一样的电子运动,由于有更少的便于电子在它们之间随机跳跃的结构,而不利于导热。”


明显地,二氧化钒的导热导电量能通过掺入其它材料来调节。当研究人员在二氧化钒单晶体中,加入金属钨时,它显著降低了二氧化钒变为金属的相变温度。同时,在金属相时的电子变得有更好的热导体。这就使科研人员能够利用温度调节,在金属与绝缘体之间,使其来回发生相变,从而控制二氧化钒的散热量。这种材料,可用于帮助减少或清除发动机内的热量,或者开发成窗户涂料,从而有效提高建筑物的能量利用效率,研究人员说道。


“这种材料可以帮助稳定温度,”伯克利实验室分子构造,及能源部科研用科学用户设备办公室的博士后研究员,该研究的共同第一作者杨帆说:“通过调节导热性,在炎热的夏天,该材料由于有较高的导热性,所以就能自动有效的散热。在寒冷的冬天,由于温度较低,导致其导热性降低,防止热量流失。”


二氧化钒还有另一个好处,就是在低于30摄氏度(80华氏度)的环境条件下,是透明的,而在高于60摄氏度(140华氏度)的环境条件下,吸收红外线。杨指出,在二氧化钒被商用化之前,仍有许多存在的问题需要解决,但又强调,这一研究突出了具有特殊电热特性的材料的应用潜能。


然而除了二氧化钒,还有一些其它的导电性比导热性好的材料,但它们只发生在零下数百度的温度条件下,所以很难将它们开发成实际应用,科学家说道。

声明:本文由入驻新材料在线作者tuowanfu撰写,观点仅代表作者本人,不代表新材料在线立场。本站只提供参考并不构成任何投资及应用建议。本站拥有对此声明的最终解释权。

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