铜铟磷硫晶体中“跳跃式”原子运动让晶格振动更剧烈

本文研究了一种层状材料CuInP2S6（简称CIPS），揭示其热传导行为与常规固体和液体均不同。CIPS具有刚性稳定的硫-磷骨架（类似固体），但其中的铜离子（Cu⁺）并非静止不动，而是在同一层内的两个特定硫原子位点（称为“上位点”和“下位点”）之间频繁跳跃——就像在两个小平台间来回弹跳，却无法跳到邻近层或横向扩散。这种跳跃路径是“断开的”（disconnected）：每个铜离子被限制在自己的局部双稳态势阱中，长程扩散被高能量壁垒阻挡。因此，材料整体结构稳定，不会像普通快离子导体那样发生相分离或分解。

研究发现，这种受限跳跃带来两大关键效应：第一，它强烈干扰硫骨架的晶格波（声子），尤其加剧低频声子的非谐性（即振动偏离理想简谐行为），导致声子间散射显著增强；第二，它在室温附近就引发一种类似液体的“对流式”热输运模式，削弱了传统固体中占主导的“应力张量”（virial）导热机制。

通过分子动力学模拟和第一性原理计算，作者证实：在低温（<250 K）时，铜离子基本固定，导热主要靠晶格振动（virial项主导）；在250–320 K（铁电-顺电相变区间），铜离子开始活跃跳跃，virial项减弱约20%，同时出现可观的对流（convective）和耦合（cross）导热贡献；当温度超过320 K后，铜离子在上下位点间近乎等概率分布，系统进入顺电相，此时对流导热持续增强，而晶格振动导热进一步下降，最终实现极低且稳定的晶格热导率（κₗ < 1 W·m⁻¹·K⁻¹）。

此外，实验拉曼光谱和径向分布函数分析直观显示：随温度升高，反映铜振动的100 cm⁻¹峰逐渐消失，表明铜从有序局域态转变为动态无序态；PDF中铜-铜配对峰在~4 Å处出现新峰（PAL峰），正是上下位点共存、极性消失的直接证据。全文核心在于提出“断开路径+动态无序”这一新范式——它既能大幅提升声子非谐性以抑制导热，又能规避液态化带来的结构失稳风险，为开发兼具高稳定性与超低热导的新型功能材料（如热电、固态电解质）开辟了切实可行的新路径。