Lattice Dynamics and Thermal Transport in Semiconductors with Anti-Bonding Valence Bands

热导率 化学 非谐性 声子 价(化学) 半导体 热电材料 格子(音乐) 化学物理 化学键 热的 凝聚态物理 热力学 材料科学 物理 光电子学 有机化学 声学
作者
Jiaoyue Yuan,Yubi Chen,Bolin Liao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (33): 18506-18515 被引量:56
标识
DOI:10.1021/jacs.3c05091
摘要

Achieving high thermoelectric performance requires efficient manipulation of thermal conductivity and a fundamental understanding of the microscopic mechanisms of phonon transport in crystalline solids. One of the major challenges in thermal transport is achieving ultralow lattice thermal conductivity. In this study, we use the anti-bonding character of the highest-occupied valence band as an efficient descriptor for discovering new materials with an ultralow thermal conductivity. We first examined the relationship between anti-bonding valence bands (ABVBs) and low lattice thermal conductivity in model systems PbTe and CsPbBr3. Then, we conducted a high-throughput search in the Materials Project database and identified over 600 experimentally stable binary semiconductors with an anti-bonding character in their valence bands. From our candidate list, we conducted a comprehensive analysis of the chemical bonds and the thermal transport in the XS family, where X = K, Rb, and Cs are alkaline metals. These materials all exhibit ultralow thermal conductivities less than 1 W/(m K) at room temperature despite simple structures. We attributed the ultralow thermal conductivity to the weakened bonds and increased phonon anharmonicity due to their ABVBs. Our results provide chemical intuitions to understand lattice dynamics in crystals and open up a convenient venue toward searching for materials with an intrinsically low lattice thermal conductivity.
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