Phonon Symphony of Stacked Multilayers and Weak Bonds Lowers Lattice Thermal Conductivity

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作者
Ni Ma,Zhou Zhang,Pengfei Nan,Wei Bai,Kai Li,Jiyin Zhao,Shiming Zhou,Binghui Ge,Jiong Yang,Chong Xiao,Yi Xie
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (30) 被引量:8
标识
DOI:10.1002/adma.202202677
摘要

Controlling lattice vibrations to obtain intrinsic low thermal conductivity play a critical role in thermal management of electronic and photonic devices, energy converters, and thermal insulation, which necessitates exploring new compounds and a thorough understanding of their chemical structure, bonding, and lattice dynamics. Herein, a new chalcogenide, Ga6 Cr5 Se16 , shows intrinsic low lattice thermal conductivity κlat , which crystallizes in the monoclinic phase (C2/m) with the stacked inverse GaSe4 layers (g'), close-packed Cr3+ Se6 layers (c), GaSe4 layers (g) and loosely-stacked Cr2+ Se6 layers (c') along the c-axis. In this structure, a wide variety of chemical bonding is arranged in each layer, such as covalent Ga-Se, covalent Cr3+ -Se, and weaker Cr2+ -Se bonding, which endow it with a large phonon symphony by strong coupling of soft acoustic and low-lying optical phonons. As a result, Ga6 Cr5 Se16 realizes an intrinsic low κlat of 0.79 W m-1 K-1 at 323 K, which is almost four times, or twice lower than that of Cr3 Se4 (2.95 W m-1 K-1 ), or Cr2 Se3 (1.56 W m-1 K-1 ), Ga2 Se3 (1.36 W m-1 K-1 ) at 323 K, respectively. These insights will offer comprehensive understanding of the phonon propagation in complex layered chalcogenides, and also shed useful light on future design of low-κlat solids.

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