From Bonding Asymmetry to Anharmonic Rattling in Cu12Sb4S13 Tetrahedrites: When Lone‐Pair Electrons Are Not So Lonely

单独一对 非谐性 材料科学 凝聚态物理 不对称 热电材料 化学键 电子 电子结构 结晶学 物理 化学 热导率 分子 量子力学 复合材料
作者
Wei Lai,Yuxing Wang,Donald T. Morelli,Xu Lu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:25 (24): 3648-3657 被引量:195
标识
DOI:10.1002/adfm.201500766
摘要

Some of the best thermoelectrics are complex materials with rattling guests inside oversized atomic cages. Understanding the chemical and structural origins of the rattling behavior is essential to the design of thermoelectric materials. In this work, a clear connection is established between the local bonding asymmetry and anharmonic rattling modes in tetrahedrite thermoelectrics, enabled by the chemically active electron lone pairs. The studies reveal a five‐atom atomic cage Sb[CuS 3 ]Sb in Cu 12 Sb 4 S 13 tetrahedrites that exhibits strong local bonding asymmetry: covalent bonding inside the CuS 3 trigonal plane and weak out‐of‐plane bonding induced by the lone‐pair electrons of Sb. This bonding asymmetry leads to out‐of‐plane rattling modes that are quasilocalized and anharmonic with low frequency and large amplitude, and are likely the origin of low thermal conductivity in tetrahedrites. Such knowledge highlights the importance of local structure asymmetry and lone‐pair atoms in driving anharmonic rattling, providing a stepping stone to the discovery and design of next‐generation thermoelectrics.
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