超低导热材料：多晶硅纳米线

    研究人员从理论上证明了迄今为止开发的任何硅基材料的最低传热速率或导热系数。

    这种新材料是一种多晶硅纳米线，它突破了两个极限：非晶极限、卡西米尔极限。无定形极限被认为是材料的最低导热率，因为非晶态结构强烈地散布热载流子。然而，由于其独特的纳米级设计，多晶硅纳米线的导热率是非晶硅材料的三倍。卡西米尔极限是描述纳米结构的热导率的理论，并且破坏它意味着新材料的热导率低于卡西米尔极限理论预测的值。

研究人员预计新材料对热电应用尤其有用。通过将热能转换为电能，热电材料提供了一种捕获车辆尾管，发电厂和制造设施发出的一些废热，然后将热量转换为有用能量的方法。

    通常，良好的热电材料是同时具有低热导率、高电子传导性的材料。这两个特性共同导致高的整体热电转换效率。在这项新研究中，研究人员致力于降低导热系数，同时保持硅材料已经很高的电子传导率。

    新型硅纳米线的低导热率的关键在于其多晶形式，其由许多随机取向的不同形状和尺寸的晶体结构组成。基于多晶硅纳米线中的平均晶粒尺寸（约3nm），Casimir极限预测热导率不能低于约3W / mK。但研究人员的模拟结果表明，多晶硅纳米线的导热系数仅为0.7 W / mK。相比之下，该值比体硅低269倍，比原始硅纳米线低77倍，比非晶硅纳米线低3倍。

    研究人员解释说，多晶结构的一个重要特征是晶体之间的晶界是不连续的。结果，晶粒边界阻挡并散射传热的声子，因此声子在材料中不能移动很远（仅约1 nm），而在其他硅材料中移动的距离（最大1μm） ，其中晶界形成连续的网络。

    这里的结果提出了对于任何形式的硅纳米线可能具有最低可能导热率的问题。通常，有两种振动有助于导热：传播和扩散。研究人员预计，通过将纳米孪晶结构形式的无序结合到多晶硅纳米线中以尽量减少其传输，应该可以完全消除传播的贡献。另一方面，扩散子是由材料的固有结构紊乱引起的，因此它们不能以这种方式减少。然而，通过消除传播的贡献，研究人员预计多晶硅纳米线的导热率可进一步降低20％。研究人员计划在未来的工作中实现这一目标。