Anharmonicity Driven by Vacancy Ordering Unlocks High-Performance Thermoelectric Conversion in Defective Chalcopyrites II-III 2 -VI 4

非谐性 空位缺陷 凝聚态物理 材料科学 声子 热电效应 热电材料 格子(音乐) 离子 电子能带结构 热的 电子结构 带隙 热导率 化学物理 相(物质) 电阻率和电导率 晶体结构 极化子 电负性 从头算量子化学方法
作者
Hui Zhang,Jincheng Yue,Jiongzhi Zheng,Ning Wang,Wenling Ren,Shuyao Lin,Chen Shen,Hao Gao,Yanhui Liu,Yue‐Wen Fang,Tian Cui
出处
期刊:Chinese Physics Letters [Institute of Physics]
卷期号:43 (8): 080803-080803
标识
DOI:10.1088/0256-307x/43/8/080803
摘要

Abstract Defective chalcopyrites have recently emerged as promising thermoelectric materials because their ordered intrinsic vacancies can profoundly reshape both lattice dynamics and electronic structure. Here, we present a comprehensive theoretical investigation of the lattice thermal and carrier transport properties of II-III 2 -VI 4 defective chalcopyrites by combining first-principles calculations with machine-learning interatomic potentials. We show that vacancy ordering enhances lattice distortion, leading to strong anharmonicity and metavalent bonding. The interplay of soft low-frequency phonons, strongly negative Grüneisen parameters, and a substantially enlarged four-phonon-scattering phase space strongly regulates heat transport, yielding an ultralow lattice thermal conductivity. Meanwhile, systematic anion substitution at the VI-site provides an effective route to tune the electronic structure: reduced anion electronegativity weakens metal-anion hybridization, shifts anion p states upward, narrows the band gap, and thereby improves electrical transport. Benefiting from this synergy between vacancy-induced phonon suppression and anion-regulated electronic optimization, CdGa 2 Te 4 exhibits an ultralow lattice thermal conductivity of 0.19 W·m −1 ·K −1 and a high room-temperature ZT of 0.689. This work not only predicts defective chalcopyrites as a promising platform for high-performance thermoelectrics but also provides a practical design strategy by integrating vacancy ordering, higher-order phonon scattering, and anion-dependent band engineering.
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