Abnormally Low Lattice Thermal Conductivity in ABX Honeycomb Compounds

格子(音乐) 材料科学 凝聚态物理 声子 各向异性 有效质量(弹簧-质量系统) 结晶学 物理 化学 声学 量子力学
作者
Zizhen Zhou,Kunling Peng,Huixia Fu,Hong Wu,Gui Wang,Xiaoyuan Zhou
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:16 (6) 被引量:16
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.16.064034
摘要

Planar structure and small atomic mass usually induce high lattice thermal conductivity in a crystalline solid. Here, we present a first-principles study on the lattice dynamics and phonon-transport properties of a series of ABX honeycomb compounds and show that replacing cations with lighter atoms may yield lower lattice thermal conductivity $({\ensuremath{\kappa}}_{l})$. The anomalous mass-trend ${\ensuremath{\kappa}}_{l}$, which is experimentally observed, is found to be inherent to the lattice vibration of the specific layered honeycomb structure, using A$\mathrm{Cu}\mathrm{Sb}$ (A = $\mathrm{Ca}$, $\mathrm{Sr}$, and $\mathrm{Ba}$) as prototypical compounds. We reveal that a lighter A atom bonds more weakly with the $\mathrm{Cu}\text{\ensuremath{-}}\mathrm{Sb}$ honeycomb ring, giving rise to stronger vibrational anharmonicity, which induces ultralow ${\ensuremath{\kappa}}_{l}$ in $\mathrm{Ca}\mathrm{Cu}\mathrm{Sb}$ that is unexpected of light elements and a high-symmetry planar structure. Combined with the high degeneracy and strong anisotropy of the bottom conduction band, $\mathrm{Ca}\mathrm{Cu}\mathrm{Sb}$ exposes an ultrahigh n-type zT of about 2.2 at 700 K. These findings elucidate the mechanism governing anomalous phonon-transport behavior, which also offers guidance in discovering low-cost and low-mass-density materials for advanced thermoelectric applications.
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