Dynamic Lone Pair Expression as Chemical Bonding Origin of Giant Phonon Anharmonicity in Thermoelectric InTe

非谐性 单独一对 声子 反键分子轨道 离域电子 热电效应 凝聚态物理 化学 电子 原子物理学 物理 原子轨道 量子力学 分子
作者
Jiawei Zhang,Daisuke Ishikawa,Michael Marek Koza,Eiji Nishibori,Lirong Song,Alfred Q. R. Baron,Bo B. Iversen
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (13) 被引量:12
标识
DOI:10.1002/anie.202218458
摘要

Loosely bonded ("rattling") atoms with s2 lone pair electrons are usually associated with strong anharmonicity and unexpectedly low thermal conductivity, yet their detailed correlation remains largely unknown. Here we resolve this correlation in thermoelectric InTe by combining chemical bonding analysis, inelastic X-ray and neutron scattering, and first principles phonon calculations. We successfully probe soft low-lying transverse phonons dominated by large In1+ z-axis motions, and their giant anharmonicity. We show that the highly anharmonic phonons arise from the dynamic lone pair expression with unstable occupied antibonding states induced by the covalency between delocalized In1+ 5s2 lone pair electrons and Te 5p states. This work pinpoints the microscopic origin of strong anharmonicity driven by rattling atoms with stereochemical lone pair activity, important for designing efficient materials for thermoelectric energy conversion.
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