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Phonon Anharmonicity in Few-Layer Black Phosphorus

声子 非谐性 凝聚态物理 声子散射 材料科学 拉曼散射 拉曼光谱 热导率 散射 热膨胀 从头算 物理 光学 量子力学 复合材料 冶金
作者
Damien Tristant,Andrew Cupo,Xi Ling,Vincent Meunier
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:13 (9): 10456-10468 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acsnano.9b04257
摘要

We report a temperature-dependent Raman spectroscopy study of few-layer black phosphorus (BP) with varied incident polarization and sample thickness. The Raman-active modes Ag1, B2g, and Ag2 exhibit a frequency downshift, while their line width tends to increase with increasing temperature. To understand the details of these phenomena, we perform first-principles density functional theory calculations on freestanding monolayer BP. The effect of thermal expansion is included by constraining the temperature-dependent lattice constant. The study of the temperature-induced shift of the phonon frequencies is carried out using ab initio molecular dynamics simulations. The normal-mode frequencies are calculated by identifying the peak positions from the magnitude of the Fourier transform of the total velocity autocorrelation. Anharmonicity induces a frequency shift for each individual mode, and the three- and four-phonon process coefficients are extracted. These results are compared with those obtained from many-body perturbation theory, giving access to phonon lifetimes and lattice thermal conductivity. We establish that the frequency downshift is primarily due to phonon-phonon scattering while thermal expansion only contributes indirectly by renormalizing the phonon-phonon scattering. Overall, the theoretical results are in excellent agreement with experiment, thus showing that controlling phonon scattering in BP could result in better thermoelectric devices or transistors that dissipate heat more effectively when confined to the nanoscale.

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