Part-crystalline part-liquid state and rattling-like thermal damping in materials with chemical-bond hierarchy

化学物理 热的 热力学 热导率 分子动力学 化学
作者
Wujie Qiu,Lili Xi,Ping Wei,Xuezhi Ke,Jihui Yang,Wenqing Zhang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:111 (42): 15031-15035 被引量:159
标识
DOI:10.1073/pnas.1410349111
摘要

Understanding thermal and phonon transport in solids has been of great importance in many disciplines such as thermoelectric materials, which usually requires an extremely low lattice thermal conductivity (LTC). By analyzing the finite-temperature structural and vibrational characteristics of typical thermoelectric compounds such as filled skutterudites and Cu3SbSe3, we demonstrate a concept of part-crystalline part-liquid state in the compounds with chemical-bond hierarchy, in which certain constituent species weakly bond to other part of the crystal. Such a material could intrinsically manifest the coexistence of rigid crystalline sublattices and other fluctuating noncrystalline sublattices with thermally induced large-amplitude vibrations and even flow of the group of species atoms, leading to atomic-level heterogeneity, mixed part-crystalline part-liquid structure, and thus rattling-like thermal damping due to the collective soft-mode vibrations similar to the Boson peak in amorphous materials. The observed abnormal LTC close to the amorphous limit in these materials can only be described by an effective approach that approximately treats the rattling-like damping as a “resonant” phonon scattering.
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