Lattice vibrational modes and phonon thermal conductivity of monolayer MoS2

声子 单层 非谐性 热导率 布里渊区 材料科学 石墨烯 凝聚态物理 红外线的 电介质 拉曼光谱 物理 光学 纳米技术 光电子学 复合材料
作者
Yongqing Cai,Jinghua Lan,Gang Zhang,Yong‐Wei Zhang
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:89 (3) 被引量:429
标识
DOI:10.1103/physrevb.89.035438
摘要

The anharmonic behavior of phonons and intrinsic thermal conductivity associated with the umklapp scattering in monolayer MoS${}_{2}$ sheet are investigated via first-principles calculations within the framework of density functional perturbation theory. In contrast to the negative Gr\"uneissen parameter ($\ensuremath{\gamma}$) occurring in low-frequency modes in graphene, positive $\ensuremath{\gamma}$ in the whole Brillouin zone is demonstrated in monolayer MoS${}_{2}$ with much larger $\ensuremath{\gamma}$ for acoustic modes than that for the optical modes, suggesting that monolayer MoS${}_{2}$ sheet possesses a positive coefficient of thermal expansion. The calculated phonon lifetimes of the infrared active modes are 5.50 and 5.72 ps for ${E}^{\ensuremath{'}}$ and ${A}_{2}^{\ensuremath{'}\ensuremath{'}}$, respectively, in good agreement with experimental results obtained by fitting the dielectric oscillators with the infrared reflectivity spectrum. The lifetime of the Raman ${A}_{1}^{\ensuremath{'}}$ mode (38.36 ps) is about seven times longer than those of the infrared modes. The dominated phonon mean free path of monolayer MoS${}_{2}$ is less than 20 nm, about 30-fold smaller than that of graphene. Combined with the nonequilibrium Green's function calculations, the room temperature thermal conductivity of monolayer MoS${}_{2}$ is found to be around 23.2 W m${}^{\ensuremath{-}1}$ K${}^{\ensuremath{-}1}$, two orders of magnitude lower than that of graphene.

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