固体材料的晶格热导率是其重要的本征性质之一，在多个领域决定了材料的性能好坏，如需要低晶格热导率的热电领域。热电领域中对于晶格热导率的理解长期基于Slack模型的这一简化公式，而Slack模型决定的低热导率机制主要集中于低声速、大晶格非谐以及复杂晶体结构等，形成了固有的研究思路。从21世纪以来，现代晶格热导率理论计算中自然演化出的概念——由低频光学声子引起的大的散射相空间，是Slack模型中不存在的一种新的低热导率机制。并且通过对低频光学声子振动模式的分析，还可以获得与材料特有振动行为的认知。这类通过对于材料声子特性理论理解开展的工作虽有前期报道，但仍未得到热电领域的重视。
上海大学材料基因组工程研究院杨炯教授团队通过对低频光学声子的深刻理解，与多家知名单位合作，发表多篇顶级刊物。具体成果如下：
一、在与中国科学技术大学（合肥微尺度物质科学国家研究中心）肖翀教授团队的紧密合作中，研究发现了非层状的正交晶系化合物PbSnS3中化学键强度的不均匀分布，这一特性导致其显著的热导率各向异性，甚至超越许多传统层状材料。该成果以杨炯教授团队对声子结构和各向异性热输运等第一性原理计算为重要分析手段，观察到PbSnS3低频光学支模式的集体振动行为及其与声学支的强耦合，该集体振动行为通常仅出现在层状材料中。进一步分析发现，Pb原子的孤对电子导致Pb-S键强度介于共价键/离子键和范德华力之间，促成了PbSnS3中类似层状材料的独立振动单元的形成，从而产生了显著的各向异性热导率。这一发现不仅拓宽了高各向异性热导率材料的探索范围，也为热管理技术的发展提供了新的思路。该成果在以“Maldistribution of chemical bond strength inducing exceptional anisotropy of thermal conductivity in non-layered materials”为题，在《Angewandte Chemie International Edition》（IF=16.1）上发表。
图（a）PbSnS3的热导率各向异性。（b）PbSnS3单晶不同温度下的热导率各向异性。（c）经典热管理材料在室温下的热导率各向异性比值。（d）PbSnS3的声子谱及声子态密度。（e）PbSnS3低频光学支的振动模式示意图。
二、继前期合作之后，杨炯教授团队与肖翀教授团队再次携手，在《Journal of the American Chemical Society》（IF=14.4）上发表了题为“Interlayer Phonon Coupling from Heavy and Light Sublayers in a Natural Van der Waals Superlattice”的研究成果。该研究揭示了范德华超晶体材料中超低热导率的起源。基于对超晶体材料和母体材料声子结构和振动模式的第一性原理计算与分析，在超晶体中发现重亚层声学声子与轻亚层低频光学声子之间存在强烈耦合，该耦合导致声子散射相空间降低，增强声子散射进程，从而降低材料的热导率。此外超晶格材料中还产生了不同于母体材料的新层间振动模式，表现出更低的声速，进一步降低了对热传递的贡献。这一发现不仅为理解超晶格结构中声子色散的影响提供了新的见解，而且为开发针对热管理的功能性材料提供了指导。
图（a）超晶格和母体材料不同方向的热导率随温度变化。（b）超晶格在0~1.5 THz区域的声子色散，其中红色为SnS2亚层的贡献。（c）-（e）为超晶格结构引入的三种代表性的新层间振动模式。
三、另外，杨炯教授团队与上海交通大学物理与天文学院马杰教授团队及材料学院魏天然教授团队合作，在InSe塑性变形机制与力-热耦合研究方面取得进展，相关成果“Uncovering the phonon spectra and lattice dynamics of plastically deformable InSe van der Waals crystals”发表在著名国际期刊《Nature Communications》（IF=14.7）上。该工作聚焦采用中子散射实验与理论分析相结合的方法，阐明了InSe晶体层间塑性滑移、晶格非谐性、热输运性质之间的关系。在InSe范德华晶体中低频光学声子与声学声子沿Γ-M方向大致平行，呈现“嵌套效应”，进而开启更多的声子散射路径，显著增强三声子相互作用强度。声子共振散射和嵌套效应使得软模声子被强烈散射而表现出大的声子线宽，而强非谐性声子显著影响材料的热输运特性。该工作为无机塑性半导体材料的力学/变形行为和物理性能的耦合关联研究建立了典型示范，也为层状三维晶体和二维材料的物性调控提供了新的思路。
图(a) [K-K0]和(c) [HH0]方向的声子谱（200 K），其中白线为AIMD计算的声子谱，虚线为“消失”或过阻尼的ZA支；(c)声子寿命对能量的依赖关系：蓝色为实验值，紫色为计算值；实心为200 K数据，空心为50 K数据；(d) Cp/𝑇3与温度的关系；(3)面内和面外热导率随温度的变化曲线。
四、在与肖翀教授团队的持续合作中，最新研究成果在《National Science Review》（IF=16.3）发表，题为“Extremely low lattice thermal conductivity in light-element materials”，该研究报道了轻元素低钾化合物KCu4Se3（KCu4S3）中的低晶格热导率。本合作工作发现在简单的square-net晶格中，KCu4Se3（KCu4S3）展现出独特的分层结构，这一结构增加了化学键的复杂性，并产生了几何形状不对称的子晶格，导致声子谱更为平坦，声子-声子相互作用显著增强，展现出与重元素化合物相当的声子-声子相互作用强度与强非谐性。通过第一性原理计算，揭示了KCu4Se3中低频光学声子的显著重叠现象，甚至与声学声子分支发生交叉，为三声子散射过程提供了大量的散射通道，指示了材料中强烈的声子散射。这些特性共同导致KCu4Se3的极低晶格热导率。这项研究不仅打破了轻元素材料难以实现极低晶格热导率的传统认知，而且为设计新型低晶格热导率材料提供了新的思路和策略。
图（a）KCu4Se3的声子谱。（b）KCu4Se3的声子态密度。（c）KCu4Se3的三声子散射相空间。（d）KCu4Se3的格林艾森常数。
上述工作中，材料基因组工程研究院的戴胜男博士、博士生刘璐、硕士毕业生林一飞为共同第一作者，杨炯教授均为论文的共同通讯作者。在刚刚结束的2024全国热电大会（重庆）中，杨炯教授作为特邀嘉宾，为热电领域广大学生分享了他多年在热电领域第一性原理计算与实验的合作经验。讲座中再次强调了低频光学声子带来的大散射相空间对于低热导率的重要性，希望整个热电领域的下一代工作者从启蒙阶段就从更加全面的角度理解热输运过程。
图为杨炯教授在2024年全国热电大会中作为特邀嘉宾做会前科研培训讲座。