近日，王锐教授和杨小龙副教授课题组在兼具高热导率与和高载流子迁移率材料的理论探索方面取得了重要进展。研究团队系统研究了Weyl半金属TaAs和TaP及其同结构化合物四方相氮化钽(t-TaN)的声子与电子热输运性质，成果发表在物理领域著名综合性期刊《应用物理评论》（Applied Physics Reviews, 12, 021419, 2025），并作为期刊Featured article（特色文章）。重庆大学博士研究生丁献勇和重庆师范大学靳鑫副教授为该工作共同第一作者，物理学院王锐教授和杨小龙副教授、澳大利亚伍伦贡大学(University of Wollongong)程振祥教授为该工作的通讯作者，重庆大学为第一完成单位。合作者还包括重庆大学周小元教授、吕学伟教授，重庆邮电大学李登峰教授，南方科技大学范靖博士等。
近年来，对于金属体系热输运的研究日益受到关注，然而实验上如何有效分离声子与电子对热导率的贡献仍然是一个挑战。由于理论和计算方法的限制，对于金属体系热输运性质的理论研究相对较少。传统观点认为，金属体系中声子对热导率的贡献可以忽略不计。但是，最新的理论研究结果表明，在一些纯金属和金属间化合物中，声子对热导率的贡献实际上不可忽视。作为近年来凝聚态物理的前沿研究热点，拓扑半金属在电学、磁学以及其输运性质方面表现出优异的性能，但它们在声子热输运领域的相关研究仍较为匮乏。尤其，如何找到一种同时满足高热导率与和高载流子迁移率的材料，一直是科学界的重要挑战。
该研究团队系统研究了Weyl半金属TaAs和TaP及其同结构化合物四方相氮化钽(t-TaN)的声子与电子热输运性质。在本征情况下，由于较弱的电声耦合以及声子聚束效应和不断增加的声学支与光学支之间的带隙，TaAs和TaP的晶格热导率在总的热导率中贡献较大，从而导致了反常的洛伦兹数。尤其，受TaAs和TaP的声学支与光学支之间的带隙随质量差增大而提升的启发，进一步发现其同结构化合物t-TaN同时具备高热导率与高载流子迁移率。
图1：TaX(X=As, P, N)晶体结构、COHP、声子光谱。
通过严格的第一性原理计算表明，t-TaN是一种独特的窄带隙半导体，能够同时实现高热导率和高载流子迁移率。在室温下，t-TaN的热导率达到677 Wm⁻¹K⁻¹，远超大多数常用的半导体材料。t-TaN卓越的热导率源于声子聚束效应和较大的声学支与光学支带隙显著抑制了三声子散射过程。当仅考虑三声子散射时，t-TaN的热导率甚至超过了1000 Wm⁻¹K⁻¹。更为重要的是，t-TaN在室温下表现出超高的空穴迁移率，可达4700 cm²V⁻¹s⁻¹，这一值超过了所有已知的高热导率半导体材料。这优异的迁移率特性归因于t-TaN独特的电子和声子结构，具体表现为较高的费米速度和较弱的电子-声子耦合强度。这一研究发现不仅为高性能电子器件、光电器件及高功率散热技术提供了重要的材料候选，也为设计同时具备高热导率与高载流子迁移率材料开辟了新思路。
图2：(a)晶格热导率和(b)电子、空穴迁移率随温度的变化。
图3: (a)声子相互作用；(b) Fermi面和费米速度；(c)电声耦合。
该项工作得到国家自然科学基金、理论物理专款、重庆市自然科学基金、中央高校基金等项目的支持。
期刊简介：
《应用物理评论》（Applied Physics Reviews）是美国物理联合会（American Institute of Physics）旗下的物理学顶级旗舰期刊，旨在发表应用物理学领域重要而新颖的高质量研究成果或权威而全面的综述，年文章刊载量仅100余篇。
文章原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0259103
