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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:17
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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