Influence of four-phonon scattering and wavelike phonon tunneling effects on the thermal transport properties of TlBiSe2

量子隧道 声子 热导率 散射 声子散射 平均自由程 热电效应 物理 凝聚态物理 材料科学 量子力学 热力学
作者
Linxuan Ji,Anqi Huang,Yiqi Huo,Yi-min Ding,Shuming Zeng,Yu Wu,Liujiang Zhou
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:109 (21) 被引量:5
标识
DOI:10.1103/physrevb.109.214307
摘要

${\mathrm{TlBiSe}}_{2}$ is considered a potential thermoelectric material due to its ultralow lattice thermal conductivity ${\ensuremath{\kappa}}_{\mathrm{L}}$ and excellent electrical properties. However, previous studies on the thermal properties of ${\mathrm{TlBiSe}}_{2}$ only considered the effects of three-phonon scattering, which resulted in significant differences between theoretical and experimental values. In this material, four-phonon scattering processes mainly reduce the thermal transport of acoustic phonons, resulting in an approximate 28% reduction in particlelike thermal conductivity ${\ensuremath{\kappa}}_{\mathrm{p}}$ at 300 K. The high-frequency optical branches are dense and the phonon lifetime is short, making it easy to generate wavelike phonon tunneling. After considering wavelike thermal conductivity ${\ensuremath{\kappa}}_{\mathrm{c}}$, ${\ensuremath{\kappa}}_{\mathrm{L}}$ along the in-plane direction is in good agreement with the experimental values. A nonstandard ${\ensuremath{\kappa}}_{\mathrm{L}}\ensuremath{\propto}{\mathrm{T}}^{\ensuremath{-}0.36}$ dependence is revealed in the cross-plane direction. At high temperatures, ${\ensuremath{\kappa}}_{\mathrm{c}}$ in the cross-plane direction is greater than ${\ensuremath{\kappa}}_{\mathrm{p}}$ and ${\ensuremath{\kappa}}_{\mathrm{c}}$ dominates the thermal transport with 61% of ${\ensuremath{\kappa}}_{L}$ at 700 K. In addition to the frequency difference of the phonon pairs, the interbranch phonon group velocity also has an important effect on ${\ensuremath{\kappa}}_{\mathrm{c}}$. Our work improves the calculational accuracy of thermal conductivity for ${\mathrm{TlBiSe}}_{2}$ and broadens the field for application of ternary-layered thallium-based semiconductors.
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