Understanding the ultralow lattice thermal conductivity of monoclinic RETaO4 from acoustic‐optical phonon anti‐crossing property and a comparison with ZrO2

声子 热导率 材料科学 单斜晶系 非谐性 声子散射 凝聚态物理 热障涂层 散射 玻尔兹曼方程 晶体结构 矿物学 热力学 结晶学 陶瓷 光学 复合材料 化学 物理
作者
Mengdi Gan,Xiaoyu Chong,Wei Yu,Bing Xiao,Jing Feng
出处
期刊:Journal of the American Ceramic Society [Wiley]
卷期号:106 (5): 3103-3115 被引量:37
标识
DOI:10.1111/jace.18988
摘要

Abstract The low thermal conductivity ( κ ) has a significant impact on the application of thermal barrier coatings (TBCs). Rare‐earth tantalates (RETaO 4 ) are one kind of the most promising TBC materials with low thermal conductivity. However, the underlying mechanism of low κ in RETaO 4 has remained a mystery. In this work, the thermal transport properties of monoclinic (m)‐RETaO 4 (RE = Y, Eu, Gd, Dy, Er) compared with ZrO 2 are conducted to reveal the mechanism of low lattice thermal conductivity in the former compounds using highly accurate phonon Boltzmann transport equation combined with first‐principles calculations. The predicted κ is in good agreement with experimental data, which proves that this work is convincing. The result shows that ErTaO 4 has the lowest κ (1.37 W m −1 K −1 at 1600 K), which is much lower than ZrO 2 (2.49 W m −1 K −1 at 1600 K). It is found that the strong anharmonicity and large scattering rate in m‐RETaO 4 are mainly derived from strong ionic bonding in the crystal structure, and strong anti‐crossing property of acoustic‐optical phonon branches in phonon dispersion. Both mechanisms can effectively reduce the phonon group velocity and increase the phonon scattering rates of m‐RETaO 4 , leading to lower κ than ZrO 2 . Fortunately, two descriptors, including distortion degree and stretching force constant, are suggested to be used to quickly screen the doping or multicomponent RETaO 4 with relatively lower κ , which could also be extended to other potential TBCs systems, that is, rare‐earth silicate, rare‐earth cerate, and so on.
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