Cu3BiS3: Two‐Dimensional Coordination Induces Out‐of‐Plane Phonon Scattering Enabling Ultralow Thermal Conductivity

声子 热导率 散射 材料科学 凝聚态物理 平面(几何) 声子散射 热的 物理 热力学 光学 数学 几何学 复合材料
作者
Fei Jia,Shuang Zhao,Jing Wu,Ling Chen,Te‐Huan Liu,Li‐Ming Wu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (51): e202315642-e202315642 被引量:18
标识
DOI:10.1002/anie.202315642
摘要

The discovery of compounds with low thermal conductivity and the understanding of their microscopic mechanisms are of great challenges and scientific significance. Herein, we report a unique ternary sulfide compound, Cu3 BiS3 , in which all Cu atoms are coordinated within a two-dimensional [CuS3 ] triangle plane. This local coordination leads to efficient out-of-plane phonon scattering and an ultralow thermal conductivity. Through DFT phonon spectrum calculations and analyses, we reveal that the lowest vibration frequency decreases from 2 THz for high-dimensional [CuS4 ] tetrahedral coordinated Cu atoms in CuBiS2 (CN=4, with an average Cu-S bond length of 2.328 Å) to 1.5 THz for low-dimensional [CuS3 ] triangular coordinated Cu atoms in Cu3 BiS3 (CN=3, with a shorter Cu-S bond length of 2.285 Å). This is due to the out-of-plane thermal vibration of the Cu atoms in the latter. Consequently,Cu3 BiS3 exhibits one of the lowest values of κlat (0.32 W/m K) among its peer, with a 36 % reduction compared to CuBiS2 (0.50 W/m K). This groundbreaking discovery highlights the significant role of 2D local coordination in reducing thermal conductivity through characteristic out-of-plane phonon scattering, while also contributing to a large Grüneisen parameter (2.06) in Cu3 BiS3 .
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