Anisotropic lattice thermal conductivity in Sn2S3: Role of rattling modes in phonon transport

各向异性 材料科学 物理 量子力学
作者
Xiao Sun,Rongkun Chen,Nancy Y. C. Yang,Shiqian Hu
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:112 (12) 被引量:1
标识
DOI:10.1103/j7pb-17wn
摘要

The interplay between structure distortion and lattice dynamics provides a compelling strategy to suppress phonon transport in thermoelectric materials. In this work, we explore the origin of highly anisotropic thermal conductivity in ${\mathrm{Sn}}_{2}{\mathrm{S}}_{3}$ through first-principles calculations combined with the Wigner transport equation (WTE). We find that the stereochemically active lone-pair electrons of ${\mathrm{Sn}}^{2+}$ pronounced local structural distortions, characterized by asymmetric Sn--S bond angles and weakened bonding configurations. These distortions activate rattling modes, which flatten vibrational branches, enhance phonon scattering, and reduce group velocities, particularly along the $x$ and $z$ directions. In contrast, the $y$ direction supports more coherent and dispersive phonon transport, leading to markedly higher thermal conductivity. Additionally, the influence of rattling extends to coherent phonon transport, yielding a complex frequency-dependent interplay between particlelike and wavelike heat conduction. Our results establish a direct link between lone-pair-induced anharmonicity and anisotropic phonon transport, offering a design framework for low-$\ensuremath{\kappa}$ materials beyond van der Waals or interlayer-driven strategies.
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