日本早稻田大学在1月29日于官网公布的一项研究显示，通过在氮化铝（AlN）晶格中引入氮化镱（YbN），研究团队成功构建了（Yb,Al）N多元氮化物固溶体系，在保持AlN晶体结构稳定的同时，将材料热导率大幅降低至接近玻璃水平。该研究由早稻田大学牵头，联合香港科技大学等机构完成，目前相关成果已发表于材料领域期刊《Acta Materialia》。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645425010547

YbN-AlN的超低导热系数

研究背景

氮化铝及其相关多元氮化物广泛应用于高频器件、功率半导体和功能薄膜等领域，其热导性能对器件可靠性和功能实现具有决定性影响。传统应用中，AlN以高热导率著称，适用于高功率散热场景；而在某些压电器件或功能薄膜中，抑制热传输、实现热隔离同样至关重要——例如可用作化学反应器和高炉的隔热材料，以及液化天然气（LNG）运输船的低温隔热材料。因此，在保持晶体结构和功能特性的前提下，实现热导率的可控调节，是长期存在的材料设计难题。

研究进展

研究团队指出，在高度化学无序的氮化物固溶体系中，热主要通过声子传输，其输运行为难以用经典点缺陷散射模型准确描述。为深入理解这一问题，研究人员结合机器学习势函数的平衡分子动力学模拟与准调和格林-久保方法，对(Yb,Al)N的热输运机理进行了系统分析。

结果显示，Yb元素在AlN阳离子子晶格中的替代引入，显著改变了低频声子的传播方式。在5 THz以下的低频区间内，声子输运呈现出不同于常规固溶体系的异常特征：随着Yb含量增加，声子传播速度并未降低，反而使低频区热扩散率保持近乎恒定，表明晶格中存在更为复杂的结构重构与散射机制。

实验结果进一步证实，该固溶体系可将单晶AlN约320 W/(m·K)的热导率，降低至0.98 W/(m·K)以下，达到晶体AlN基材料中目前已报道的最低水平。这一数值已接近非晶玻璃材料的热导率，但材料仍保持明确的晶体结构特征。

与常见的(Sc,Al)N体系相比，(Yb,Al)N在热抑制能力上表现出明显优势。研究认为，Yb与Al之间显著的离子半径失配，是增强声子散射、实现极低热导率的关键结构因素。

实验结果分析

应用前景

研究团队表示，该类晶体氮化物薄膜可通过磁控溅射等成熟工艺实现规模化制备，具备良好的产业化潜力。其潜在应用包括作为下一代半导体封装中的热屏蔽层，以抑制热串扰；以及作为化工设备（如反应器和高炉）的高温绝缘材料。此外，其超低导热系数特性使其成为液化天然气及相关低温能源系统中极具吸引力的低温绝缘材料。

粉体圈Coco编译