对最小晶格热导率的统一理解

我们基于晶体与玻璃中热输运的统一理论处理，提出了最小晶格热导率($\kappa_{\rm L}^{\rm min}$)的第一性原理模型。我们将该模型应用于数千种无机化合物，发现了高温极限下晶体中 $\kappa_{\rm L}^{\rm min}$ 的普适行为：各向同性平均的 $\kappa_{\rm L}^{\rm min}$ 与结构复杂性无关，且被限制在约0.1至约2.6 W/[m$\cdot$K]的范围内，这与预测无下界的传统声子气模型形成鲜明对比。我们通过表明对于给定的母体化合物，$\kappa_{\rm L}^{\rm min}$ 由对无序近似不敏感的值从下方约束，但不同热输运通道（声子气 versus 扩散子）的相对重要性强烈依赖于无序程度，从而揭示了潜在的物理机制。此外，我们提出复杂且无序化合物中由扩散子主导的 $\kappa_{\rm L}^{\rm min}$ 可通过平均掉无序并应用声子反折叠，用有序化合物的声子气模型有效近似。借助这些见解，我们进一步弥合了我们的模型与著名的Cahill-Watson-Pohl (CWP) 模型之间的知识鸿沟，合理化了CWP模型在缺乏扩散子介导传热时的成功与局限。最后，我们构建了图网络和随机森林机器学习模型，将预测扩展到无机晶体结构数据库(ICSD)内的所有化合物，并以具有实验测得极低 $\kappa_{\rm L}$ 的热电材料进行了验证。我们的工作提供了对 $\kappa_{\rm L}^{\rm min}$ 的统一理解，可指导材料的理性设计以实现 $\kappa_{\rm L}^{\rm min}$。