Orbitally driven giant phonon anharmonicity in SnSe

声子 凝聚态物理 非谐性 热电材料 物理 散射 声子散射 非弹性中子散射 热电效应 热导率 准粒子 中子散射 超导电性 量子力学
作者
Chen Li,Jiawang Hong,Andrew F. May,Dipanshu Bansal,Songxue Chi,Tao Hong,G. Ehlers,Olivier Delaire
出处
期刊:Nature Physics [Nature Portfolio]
卷期号:11 (12): 1063-1069 被引量:651
标识
DOI:10.1038/nphys3492
摘要

Understanding elementary excitations and their couplings in condensed matter systems is critical for developing better energy-conversion devices. In thermoelectric materials, the heat-to-electricity conversion efficiency is directly improved by suppressing the propagation of phonon quasiparticles responsible for macroscopic thermal transport. The current record material for thermoelectric conversion efficiency, SnSe, has an ultralow thermal conductivity, but the mechanism behind the strong phonon scattering remains largely unknown. From inelastic neutron scattering measurements and first-principles simulations, we mapped the four-dimensional phonon dispersion surfaces of SnSe, and found the origin of the ionic-potential anharmonicity responsible for the unique properties of SnSe. We show that the giant phonon scattering arises from an unstable electronic structure, with orbital interactions leading to a ferroelectric-like lattice instability. The present results provide a microscopic picture connecting electronic structure and phonon anharmonicity in SnSe, and offers new insights on how electron–phonon and phonon–phonon interactions may lead to the realization of ultralow thermal conductivity. Tin selenide is at present the best thermoelectric conversion material. Neutron scattering results and ab initio simulations show that the large phonon scattering is due to the development of a lattice instability driven by orbital interactions.
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