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Three-Fold Coordination of Copper in Sulfides: A Blockade for Hole Carrier Delocalization but a Driving Force for Ultralow Thermal Conductivity

化学 四面体 声子 密度泛函理论 化学物理 热导率 热电效应 凝聚态物理 结晶学 计算化学 热力学 材料科学 矿物学 复合材料 闪锌矿 方铅矿 有机化学 黄铁矿 物理
作者
Krishnendu Maji,B. Raveau,Pierric Lemoine,Philippe Boullay,Paribesh Acharyya,Xingchen Shen,Adèle Renaud,Vincent Pelletier,Régis Gautier,Virginia Carnevali,Marco Fornari,Bin Zhang,Xiaoyuan Zhou,B. Lenoir,Christophe Candolfi,Emmanuel Guilmeau
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (14): 9741-9754 被引量:23
标识
DOI:10.1021/jacs.3c13884
摘要

Copper-rich sulfides are very promising for energy conversion applications due to their environmental compatibility, cost effectiveness, and earth abundance. Based on a comparative analysis of the structural and transport properties of Cu 3 BiS 3 with those of tetrahedrite (Cu 12 Sb 4 S 13 ) and other Cu-rich sulfides, we highlight the role of the cationic coordination types and networks on the electrical and thermal properties. By precession-assisted 3D electron diffraction analysis, we find very high anisotropic thermal vibration of copper attributed to its 3-fold coordination, with an anisotropic atomic displacement parameter up to 0.09 Å 2 . Density functional theory calculations reveal that these Cu atoms are weakly bonded and give rise to low-energy Einstein-like vibrational modes that strongly scatter heat-carrying acoustic phonons, leading to ultralow thermal conductivity. Importantly, we demonstrate that the 3-fold coordination of copper in Cu 3 BiS 3 and in other copper-rich sulfides constituted of interconnected CuS 3 networks causes a hole blockade. This phenomenon hinders the possibility of optimizing the carrier concentration and electronic properties through mixed valency Cu + /Cu 2+, differently from tetrahedrite and most other copper-rich chalcogenides, where the main interconnected Cu–S network is built of CuS 4 tetrahedra. The comparison with various copper-rich sulfides demonstrates that seeking for frameworks characterized by the coexistence of tetrahedral and 3-fold coordinated copper is very attractive for the discovery of efficient thermoelectric copper-rich sulfides. Considering that lattice vibrations and carrier concentration are key factors for engineering transport phenomena (electronic, phonon, ionic, etc.) in copper-rich chalcogenides for various types of applications, our findings improve the guidelines for the design of materials enabling sustainable energy solutions with wide-ranging applications.

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