Low Thermal Conductivity in Heteroanionic Materials with Layers of Homoleptic Polyhedra

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作者
Chi Zhang,Jiangang He,Rebecca McClain,Hongyao Xie,Songting Cai,Lauren N. Walters,Jiahong Shen,Fenghua Ding,Xiuquan Zhou,Christos D. Malliakas,James M. Rondinelli,Mercouri G. Kanatzidis,Chris Wolverton,Vinayak P. Dravid,Kenneth R. Poeppelmeier
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (6): 2569-2579 被引量:20
标识
DOI:10.1021/jacs.1c10284
摘要

Although BiAgOSe, an analogue of a well-studied thermoelectric material BiCuOSe, is thermodynamically stable, its synthesis is complicated by the low driving force of formation from the stable binary and ternary intermediates. Here we have developed a "subtraction strategy" to suppress byproducts and produce pure phase BiAgOSe using hydrothermal methods. Electronic structure calculations and optical characterization show that BiAgOSe is an indirect bandgap semiconductor with a bandgap of 0.95 eV. The prepared sample exhibits lower lattice thermal conductivities (0.61 W·m-1·K-1 at room temperature and 0.35 W·m-1·K-1 at 650 K) than BiCuOSe. Lattice dynamical simulations and variable temperature diffraction measurements demonstrate that the low lattice thermal conductivity arises from both the low sound velocity and high phonon-phonon scattering rates in BiAgOSe. These in turn result primarily from the soft Ag-Se bonds in the edge-sharing AgSe4 tetrahedra and large sublattice mismatch between the quasi-two-dimensional [Bi2O2]2+ and [Ag2Se2]2- layers. These results highlight the advantages of manipulating the chemistry of homoleptic polyhedra in heteroanionic compounds for electronic structure and phonon transport control.
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