Exotic Quartic Anharmonicity Induced by Rattling Effect in Layered Isostructural Compounds

非谐性 声子 凝聚态物理 等结构 散射 四次方程 声子散射 材料科学 化学 物理 量子力学 结晶学 晶体结构 数学 纯数学
作者
Zheng Shu,Huaxian Jia,Z. Li,Bowen Wang,Yongqing Cai
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:128 (11): 4809-4817 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.4c00180
摘要

Anharmonicity of phonons correlates with less dispersive potential surfaces and usually governs the thermal transport of low-dimensional materials. Here, we demonstrate the significant role of the so-called "rattling" action in affecting lattice anharmonicity, originating from the ease of freedom of confined but loose atoms in two-dimensional space. Based on calculations of X2Si2Te6 (X = Sb and Bi) within the Peierls–Boltzmann framework, the degree of high-order four-phonon scattering differs strikingly despite their isostructural feature. Upon switching on four-phonon scattering, a significant drop of thermal conductivity (κph) occurs in Bi2Si2Te6 up to 43.15% (71.62%) at 300 K (1000 K), while a moderate reduction occurs for Sb2Si2Te6. This arises from a stronger quartic anharmonicity of Bi2Si2Te6 than Sb2Si2Te6, dominated by the redistribution four-phonon process (λ + λ′ → λ″ + λ‴). We show that the strong quartic anharmonicity is more likely to occur in systems with flat phonon bands, large atoms, and rattling atomic units. These new insights provide perspectives in the design of materials with low κph through introducing rattling units in layered materials or interfaces.

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