Copper diffusion rates and hopping pathways in superionic Cu2Se

声子 材料科学 凝聚态物理 非谐性 扩散 准弹性中子散射 弗伦克尔缺陷 非弹性中子散射 间质缺损 热导率 中子散射 离子电导率 晶体缺陷 散射 热力学 物理 化学 光学 物理化学 兴奋剂 电解质 复合材料 电极
作者
Sheik Md Kazi Nazrul Islam,Prince Mayank,Yulou Ouyang,Jie Chen,Arun K. Sagotra,Meng Li,Michael B. Cortie,Richard A. Mole,Claudio Cazorla,Dehong Yu,Xiaolin L. Wang,Robert Anthony Robinson,David Laurence Cortie
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:215: 117026-117026 被引量:31
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2021.117026
摘要

The ultra-low thermal conductivity of Cu2Se is well established, but so far there is no consensus on the underlying mechanism. One proposal is that the fast-ionic diffusion of copper suppresses the acoustic phonons. The diffusion coefficients reported previously, however, differ by two orders of magnitude between the various studies and it remains unclear whether the diffusion is fast enough to impact the heat-bearing phonons. Here, a two-fold approach is used to accurately re-determine the diffusion rates. Ab-initio molecular dynamics simulations, incorporating landmark analysis techniques, were closely compared with experimental quasielastic/inelastic neutron scattering. Reasonable agreement was found between these approaches, consistent with a diffusion coefficient of 3.1 ± 1.3× 10−5 cm2.s−1 at 675 K and an activation barrier of 140 ± 60 meV. The hopping mechanism includes short 2 Å hops between tetrahedral and interstitial octahedral sites. This process forms dynamic Frenkel defects. Despite the latter processes, there is no major loss of the phonon mode intensity in the superionic state, and there is no strong correlation between the phonon spectra and the increased diffusion rates. Instead, intrinsic anharmonic phonon interactions appear to dictate the thermal conductivity above and below the superionic transition, and there is only subtle mode broadening associated with the monoclinic-cubic structural transition point, with the phonon density-of-states remaining almost constant at higher temperatures.
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