Lattice Softening Significantly Reduces Thermal Conductivity and Leads to High Thermoelectric Efficiency

材料科学 声子 凝聚态物理 热导率 热电材料 热电效应 声子散射 散射 复合材料 热力学 光学 物理
作者
Riley Hanus,Matthias T. Agne,Alexander J. E. Rettie,Zhiwei Chen,Gangjian Tan,Duck Young Chung,Mercouri G. Kanatzidis,Yanzhong Pei,Peter W. Voorhees,G. Jeffrey Snyder
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:31 (21) 被引量:158
标识
DOI:10.1002/adma.201900108
摘要

Abstract The influence of micro/nanostructure on thermal conductivity is a topic of great scientific interest, particularly to thermoelectrics. The current understanding is that structural defects decrease thermal conductivity through phonon scattering where the phonon dispersion and speed of sound are assumed to remain constant. Experimental work on a PbTe model system is presented, which shows that the speed of sound linearly decreases with increased internal strain. This softening of the materials lattice completely accounts for the reduction in lattice thermal conductivity, without the introduction of additional phonon scattering mechanisms. Additionally, it is shown that a major contribution to the improvement in the thermoelectric figure of merit (zT > 2) of high‐efficiency Na‐doped PbTe can be attributed to lattice softening. While inhomogeneous internal strain fields are known to introduce phonon scattering centers, this study demonstrates that internal strain can modify phonon propagation speed as well. This presents new avenues to control lattice thermal conductivity, beyond phonon scattering. In practice, many engineering materials will exhibit both softening and scattering effects, as is shown in silicon. This work shines new light on studies of thermal conductivity in fields of energy materials, microelectronics, and nanoscale heat transfer.
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