Crystal-liquid duality driven ultralow two-channel thermal conductivity in α-MgAgSb

声子 凝聚态物理 热导率 量子隧道 散射 物理 材料科学 液晶 非弹性中子散射 中子散射 热力学 光学
作者
Jingyu Li,Xiyang Li,Yongsheng Zhang,Jianbo Zhu,Enyue Zhao,Maiko Kofu,Kenji Nakajima,Maxim Avdeev,Pengfei Liu,Jiehe Sui,Huaizhou Zhao,Fangwei Wang,Junrong Zhang
出处
期刊:Applied physics reviews [American Institute of Physics]
卷期号:11 (1) 被引量:18
标识
DOI:10.1063/5.0173680
摘要

The desire for intrinsically low lattice thermal conductivity (κL) in thermoelectrics motivates numerous efforts on understanding the microscopic mechanisms of heat transport in solids. Here, based on theoretical calculations, we demonstrate that α-MgAgSb hosts low-energy localized phonon bands and avoided crossing of the rattler modes, which coincides with the inelastic neutron scattering result. Using the two-channel lattice dynamical approach, we find, besides the conventional contribution (∼70% at 300 K) from particlelike phonons propagating, the coherence contribution dominated by the wavelike tunneling of phonons accounts for ∼30% of the total κL at 300 K. By considering dual contributions, our calculated room-temperature κL of 0.64 W m−1 K−1 well agrees with the experimental value of 0.63 W m−1 K−1. More importantly, our computations give a nonstandard κL ∝ T−0.61 dependence, perfectly explaining the abnormal temperature-trend of ∼T−0.57 in experiment for α-MgAgSb. By molecular dynamics simulation, we reveal that the structure simultaneously has soft crystalline sublattices with the metavalent bonding and fluctuating liquid-like sublattices with thermally induced large amplitude vibrations. These diverse forms of chemical bonding arouse mixed part-crystal part-liquid state, scatter strongly heat-carrying phonons, and finally produce extremely low κL. The fundamental research from this study will accelerate the design of ultralow-κL materials for energy-conversion applications.
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