上海交大林尚超课题组揭示钙钛矿多通道热输运和超高缺陷耐受性机制

近日，上海交大机械与动力工程学院工程热物理研究所林尚超课题组在国际材料领域期刊Advanced Functional Materials上发表“Diffuson-Dominated and Ultra Defect-Tolerant Two-Channel Thermal Transport in Hybrid Halide Perovskites”论文，揭示了杂化卤素钙钛矿中扩散子主导的多通道热输运机理，阐明了其热导率的超高缺陷耐受性机制。工程热物理研究所博士研究生蔡庄立和林尚超副教授为论文共同第一作者，林尚超副教授和赵长颖教授为共同通讯作者。

有机无机杂化钙钛矿，如甲胺碘化铅CH3NH3PbI3（MAPbI3），作为太阳能电池的光吸收层、LED的光发射器、热电器件和忆阻器的关键材料，极大地吸引了学者们的关注。杂化钙钛矿的热输运对于这些器件的热管理起着关键作用，同时也影响了其他能量载流子，如激子、极化子、电子和空穴等。随着对这类包含无序结构的材料热传导机制的深入研究，发现微观热传导的理论基石——声子气体热输运理论——不再适用。包含无序结构的材料内临近振动模态的相互干涉，引发了各类新奇的热传导现象，如包含了传播子（propagon）、扩散子（diffuson）和局域子（locon）的多通道热载能子现象，为热传导研究提供了新的理论范式。在MAPbI3的高温相中，由于旋转的MA+离子和碘离子无序性，热输运兼具传播子（类似于传统声子）和扩散子的特点。在杂化钙钛矿的生长过程中，点缺陷的出现不可避免。对于MAPbI3，主要的点缺陷是碘离子和MA+离子的空位和间隙缺陷。但目前对于带有点缺陷杂化钙钛矿的热输运研究却很少。另外，尽管点缺陷对于晶体中声子热输运的影响已经得到充分的研究，但其对扩散子通道的热输运影响还未深入探索。

本研究工作通过分子动力学模拟、晶格动力学计算和钙钛矿单晶制备与实验表征研究，发现碘空位缺陷显著抑制了MAPbI3中传播子通道的热输运，但对扩散子通道的抑制则较小。这造成总热导率的减小幅度小于Klemens模型的预测结果。扩散子通道热导率的减小主要归因于减小的振动态密度。此外，传播子向扩散子的转变弥补了扩散子通道热导率的减小，造成扩散子通道主导了总热导率。对于原始和6%缺陷浓度的MAPbI3，扩散子对热导率的贡献达到55%和85%。MAPbI3也展现出超高缺陷耐受性的热输运，缺陷敏感因子比金刚石小1~2个数量级。本研究对复杂材料的多通道热输运机理提出了科学原理性解释，也对杂化钙钛矿在太阳能电池、LED、热电器件和忆阻器领域的应用具有重要基础技术价值，并为热传导基础研究提供了新的理论范式。

该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、重点国际合作项目和国家特聘青年专家项目的资助。林尚超课题组致力于热电转换、储能材料、能源材料力-热-光-电耦合效应研究，近年来作为一作或通讯作者在Nature Communications、Science Advances、Advanced Functional Materials等国际期刊发表了一系列研究性论文。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307648