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Phonon thermal transport in M Te X 4 ( M = Zr, Hf; X = S, Se) monolayers: Role of antibonding states and higher-order phonon anharmonicity

非谐性 反键分子轨道 热导率 声子 凝聚态物理 声子散射 热传导 散射 热的 原子质量 价(化学) 分子振动 材料科学 散射率 热电材料 格子(音乐) 热扩散率 热接触电导 化学物理 软模式 热障涂层 温度循环 限制
作者
Xiaoxia Wang,Zhunyun Tang,Jin Li,Chaoyu He,Mingxing Chen,Chao Tang,Tao Ouyang
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:24 (4) 被引量:1
标识
DOI:10.1103/698s-5m5g
摘要

Exploring materials with low lattice thermal conductivity is critical for advancing thermal barrier coatings and thermoelectrics. In this work, we reveal the significant influence of antibonding states and higher-order anharmonicity on the thermal transport properties of $M\mathrm{Te}{X}_{4}$ ($M=\mathrm{Zr}$, Hf; $X=\mathrm{S}$, Se) monolayers. Our results indicate that the valence bands close to the Fermi level in the Te-$X$ bonds exhibit significant antibonding states, which weaken the bonding strength and induce soft optical phonon modes in $M\mathrm{Te}{X}_{4}$. The softened bonding and phonon modes significantly enhance the phonon anharmonic scattering rates, thereby dramatically reducing the thermal conductivity of $M\mathrm{Te}{X}_{4}$. Meanwhile, the in-plane vibrational modes with quartic potential wells lead to strong four-phonon scattering, further limiting the thermal transport performance in these materials. Moreover, it is found that the abnormal increase in bond energy within the Hf system gives rise to an unusual mass dependence of thermal conductivity, that is, the thermal conductivity of the heavy atomic system $\mathrm{Hf}\mathrm{Te}{X}_{4}$ exceeds that of the light atomic system $\mathrm{Zr}\mathrm{Te}{X}_{4}$. Our results highlight the critical role of antibonding states and higher-order anharmonicity in suppressing thermal transport, and could provide fundamental insights and theoretical guidance for exploring and designing materials with low thermal conductivity.
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