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Low lattice thermal conductivity with two-channel thermal transport in the superatomic crystal PH4AlBr4

超原子 声子 热导率 非谐性 散射 物理 格子(音乐) 凝聚态物理 晶体结构 Atom(片上系统) 材料科学 结晶学 热力学 化学 量子力学 电子结构 计算机科学 声学 嵌入式系统
作者
Peng-Hu Du,Cunzhi Zhang,Tingwei Li,Qiang Sun
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:107 (15) 被引量:6
标识
DOI:10.1103/physrevb.107.155204
摘要

Designing novel crystalline materials composed of light and nontoxic elements, but with ultralow thermal conductivity insensitive to temperature, has been a long-standing challenge. One effective strategy is to utilize superatoms as building blocks to introduce hierarchical bonding and vibration for suppressing phonon velocity and enhancing high-order scattering. However, far fewer theoretical efforts have been made to understand the lattice dynamics and thermal transport in superatom-based materials. Herein, different from most of the existing works reported hitherto on atom-superatom hybrid systems, we carry out a comprehensive study on the phonon interaction and thermal transport in superatomic crystal $\mathrm{P}{\mathrm{H}}_{4}\mathrm{Al}{\mathrm{Br}}_{4}$ solely consisting of superatoms (superalkali and superhalogen), by employing homogeneous nonequilibrium molecular dynamics with active-learning potential, combined with density functional theory and unified theory of phonon thermal transport. We find that the supersalt $\mathrm{P}{\mathrm{H}}_{4}\mathrm{Al}{\mathrm{Br}}_{4}$ crystal exhibits amorphouslike ultralow lattice thermal conductivity of $0.329\ensuremath{-}0.286\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{W}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}{\mathrm{m}}^{\ensuremath{-}1}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}{\mathrm{K}}^{\ensuremath{-}1}$ from 200 to 600 K. In particular, due to the strong quartic anharmonicity, the contribution of four-phonon scattering reaches 38% of total scattering rates at 300 K, while the phonon coherence's contribution is comparable with that of population, resulting from significant phonon localization. These theoretical findings demonstrate that superatom-assembled materials exhibit features distinguished from atom-based crystals and provide a unique platform for exploring ultralow thermal conductivity with enhanced two-channel thermal transport.
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