Ruddlesden-Popper硫族化物单晶突破机械刚度与玻璃态热导率的极限耦合

本研究通过设计具有强非谐性和岩盐层结构的Ruddlesden-Popper（RP）相Ban+1ZrnS3n+1单晶，实现了弹性模量（E）与热导率（κ）的极限解耦，获得创纪录的E/κ比值（>103 GPa/W·m-1K-1）。该材料通过声子局域化和宽带速度抑制机制，在保持强化学键的同时达成0.42 W·m-1K-1的超低热导率，为热障涂层和热电材料提供了新范式。

　　

在材料科学领域，如何同时实现超低热导率和优异机械性能一直是重大挑战。传统观点认为强化学键必然导致高热导率，这使得现有低热导材料（如卤化物钙钛矿）往往伴随机械性能的妥协。这种性能耦合严重限制了热障涂层、热电转换器件等应用的发展。为此，由美国弗吉尼亚大学Patrick E. Hopkins团队领衔的国际合作研究，通过创新设计Ruddlesden-Popper（RP）结构的硫族化物单晶，成功打破了这一性能桎梏，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究团队采用多尺度研究方法，结合时间域热反射法（TDTR）、像差校正透射电镜（iDPC-STEM）和机器学习分子动力学（MLMD）模拟等技术。通过重离子辐照实验排除了缺陷对热导率的影响，利用电子能量损失谱（EELS）验证了材料的化学有序性，并通过第一性原理计算揭示了岩盐层的电子密度分布特征。

结构特征与键合分析
研究发现RP相Ba₃Zr₂S₇和Ba₄Zr₃S₁₀具有独特的层状结构，其单元细胞内含岩盐层分隔的钙钛矿区块。密度泛函理论（DFT）计算显示，岩盐区域的价电子密度与钙钛矿区块相当，证实了跨层强键合特性。这种结构使弹性模量达到传统低热导材料的3-4倍，同时保持了0.42-0.45 W·m^-1K^-1的玻璃态热导率。

热传输机制
实验测得RP相的热导率温度依赖性呈现非晶材料特征，机器学习分子动力学模拟揭示了其源于：1）强非谐性导致的声子分支重叠；2）岩盐层引起的声子群速度（v_g）宽带抑制——80%声子模式的v_g低于空气声速；3）参与比（PR）分析显示全频段声子局域化，低频模式（<2 THz）的PR值低至0.1，类似非晶材料中的locons（局域化声子）。

抗辐照性能
与母相BaZrS₃不同，RP相在2.8 MeV金离子辐照下热导率保持稳定，透射电镜证实其层状结构具有辐射损伤抗性，这使其在太空应用场景中展现出独特优势。

性能突破
研究建立了首个单晶材料的E/κ性能图谱，RP相以>2000 GPa/W·m^-1K^-1的比值刷新纪录，是传统卤化物钙钛矿的10倍。这种"机械刚性的声子玻璃"特性源于：岩盐层构建的本征超晶格限制声子自由程（<1 nm）；强键合网络维持高弹性模量；硫元素替代氧实现键强与声子散射的优化平衡。

该研究开创了通过单元细胞工程调控热输运的新范式，为下一代热管理材料设计提供了理论框架。研究者指出，这种设计策略可拓展至其他层状硫族化物（如Aurivillius相），在航空航天热障涂层、高功率电子器件散热等领域具有重要应用前景。