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중국과학원 허폐이(合肥) 물질과학 연구원 산하 "고체 물리 연구소" 소속 "물질 계산과학 연구실" 짱융썽(張永勝) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 간결한 표면특징 분석 half-Heusler 소재 중의 rattling 효과가 열전도율에 끼치는 영향 관련 연구에서 혁신성과를 취득하여 이슈가 되고 있음.

열전 소재 전환 비율은 무 차원 강(dimensionless class)의 ZT 수치로 평가할 수 있는데 열전 소재 연구에서 반도체 열학 성능 요소 분석이 중요하며, 소재의 결정격자 열전도율을 낮추거나 낮은 결정격자 열전도율을 보유하고 있는 소재 개발을 위해 이론 근거를 제공하는데 포논 유리(Phonon glass)-전자 결정체(PGEC) 개념 차원에서 보면, 고성능 열전 소재는 유리와 같은 낮은 열전도율을 보유해야 할 뿐만 아니라 결정체처럼 높은 전기 전도율을 보유해야 하며, 이런 상황은 소재로 하여금 상호 독립적인 전기학 및 열학 수송 그리드를 보유하도록 요구하고 있음.

짱융썽(張永勝) 연구원 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 밀도 범함수 이론 방법에 기반 한 포논 계산을 통해 half-Heusler 소재 중의 rattling 진동 행위가 열전도율에 끼치는 영향을 분석하였는데 관련 분석을 통해 연구팀은 열전도율은 소재의 평균 포논 주파수와 정(正) 상관관계를 보유하고 있을 뿐만 아니라 원자 간의 평균 유효 용수철 상수(Spring constant)와도 양호한 정(正) 상관관계를 보유하고 있다는 점을 발견하였음.

연구팀은 관련 분석 결과를 기반으로 하여 두 가지 간결한 열전도율 매개 변수를 확정하였으며, 3개 원자 중에서 제일 작은 평균 포논 각도 주파수와 최대 포논 각도 주파수 간의 비교 수치(ωmin/ωmax), 최저 유효 용수철 상수와 최고 유효 용수철 상수 간의 비교 수치(kmin/kmax)를 계산하였는데 관련 계산 결과 ωmin/ωmax의 수치가 작을수록 원자 간의 본딩(bonding)이 취약해지며, kmin/kmax 수치가 작을수록 rattling 주파수가 작아진다는 점을 발견하였음.

연구팀은 관련 계산 방법을 통해 간결하고 효과적으로 낮은 결정격자 열전도율을 보유하고 있는 소재를 확정하는데 성공하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 소재 중의 rattling 진동과 결정격자 열전도율이 낮은 관계를 해석하였으며, 잠재적인 낮은 열전도율 소재 선별을 위해 새로운 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Physical Review B’ ("Characterization of rattling in relation to thermal conductivity: Ordered half-Heusler semiconductors")지에 게재됨.