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High-Throughput Screening of Rattling-Induced Ultralow Lattice Thermal Conductivity in Semiconductors

热导率 声子 玻尔兹曼方程 格子(音乐) 计算 半导体 热电材料 化学 热电效应 凝聚态物理 热力学 物理 算法 量子力学 计算机科学 声学
作者
Jielan Li,Wei Hu,Jinlong Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (10): 4448-4456 被引量:62
标识
DOI:10.1021/jacs.1c11887
摘要

Thermoelectric (TE) materials with rattling model show ultralow lattice thermal conductivity for high-efficient energy conversion between heat and electricity. In this work, by analysis of the key spirit of the rattling model, we propose an efficient empirical descriptor to realize the high-throughput screening of ultralow thermal conductivity in a series of semiconductors. This descriptor extracts the structural information of rattling atoms whose bond lengths with all the nearest neighboring atoms are larger than the sum of corresponding covalent radiuses. We obtain 1171 candidates from the Materials Project (MP) Database that contains more than 100 000 materials. Combining the empirical equation of high-throughput computation with a machine learning algorithm, we compute the approximate lattice thermal conductivities (κL) and find the κL values of 532 materials are less than 2.0 W m-1 K-1 at 300 K, which can be regarded as the criteria of ultralow κL in general. In particular, we demonstrate that halide double perovskites structures show ultralow κL, which provides valuable references for promising low κL materials in future experiments. In order to further verify our computational results, we calculate accurate κL for Rb2SnBr6 and CsCu3O2 as candidates with the low lattice thermal conductivity by solving the phonon Boltzmann transport equation. In particular, we demonstrate that Rb2SnBr6 has the lowest κL value of 0.1 W m-1 K-1 at 300 K of all known thermal conductivity materials with the rattling model so far.
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