湘潭大学欧阳滔、唐超教授课题组：单层 ⅣB族过渡金属二硫族化合物MX₂中强大的四声子效应和异常热输运行为

作者：汤准韵#，王晓霞#，李金，何朝宇，陈明星

通讯作者：唐超，欧阳滔

单位：湘潭大学，湖南师范大学

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.214304

研究背景

晶格热导率（κL）是材料的一种基本物理性质，在各种技术和工程应用中起着关键作用，如微纳器件、热电能量转换和高效热管理器件。在影响热导率的众多因素中，声子非谐散射是一个极为重要的因素。近年来，研究人员主要关注基于三声子（3ph）理论的非谐波散射，而在很大程度上忽略了更复杂的四声子（4ph）散射。这是因为在大多数材料中，4ph散射通常可以看做3ph散射的微扰。因此，通过只考虑非谐波的三阶项，往往也可以得到较为合理的结果。然而，随着砷化硼晶体中显著的四声子散射效应的发现，该高阶非谐作用对材料热输运的影响在此之后得到了诸多科研工作者的极大关注。此外，对于在简谐（0 K）近似下动力学不稳定或声子色散表现出明显的温度依赖行为的系统，使用具有温度相关效应的自洽声子（SCP）理论来研究非谐声子色散关系也是极为重要的。

研究内容

近日，湘潭大学的汤准韵博士研究生（第一作者），湘潭大学的王晓霞硕士研究生（共同第一作者）、湘潭大学的李金教授（第三作者）、湘潭大学的何朝宇教授（第四作者）、湖南师范大学的陈明星教授（第五作者）、湘潭大学的唐超教授（共同通讯）、湘潭大学的欧阳滔教授（共同通讯），基于第一性原理结合SCP和玻尔兹曼输运理论，系统地研究了单层1T-MX₂（M = Ti, Zr, Hf；X = S, Se）的非谐晶格动力学和热输运行为。研究表明，1T-MX₂具有强大的4ph非谐散射，声子色散表现出显著的温度依赖行为，这是由过渡金属原子明显的平面内振动四次势阱引起的。进一步的残差分析表明，1T-MX₂中的过渡金属原子M具有极强的4ph非谐性，甚至强于3ph非谐性。当考虑4ph散射时，1T-MX₂的热导率显著降低，特别是1T-TiS₂和1T-TiSe₂，在室温下热导率分别降低了66%和62%。有趣的是，1T-MX₂的4ph散射相空间明显低于3ph散射相空间，这意味着仅通过散射相空间来评估材料是否需要考虑4ph对导热率的影响是不够的。此外，当过渡金属原子M从Ti→Zr→Hf转变时，1T-MX₂的热导率异常增加，这与传统的重原子系统总是表现出较低的晶格热导率现象形成了对比。这种热导率的异常质量依赖行为主要是由于Zr和Hf系统中键能的增强（声子非谐度的降低）。我们的研究结果系统地揭示了单层1T-MX₂中热输运的物理机制，并对考虑 4ph 效应对热输运影响的必要性提供了有益的启示。

该工作已在近日发表于国际凝聚态物理顶级期刊《PHYSICAL REVIEW B》:

Z. Tang, X. Wang, J. Li, C. He, M. Chen, C. Tang, and T. Ouyang, Physical Review B 108, 214304 (2023).

图 1. 单层1T-MX₂（M = Ti, Zr, Hf；X = S, Se）晶格结构的俯视和侧视图。

图 2. 单层1T-MX₂（M = Ti, Zr, Hf；X = S, Se）的电子局域函数等值面。标记了不同化学键的长度和积分晶体轨道哈密顿布局值以及不同原子的巴德电荷分析。

图 3. 单层(a)1T-TiS₂、(b)1T-TiSe₂、(c)1T-ZrS₂、(d)1T-ZrSe₂、(e)1T-HfS₂和(f)1T-HfSe₂的非等效原子在不同方向上的相对规则残差曲线。

图 4. 单层(a)1T-TiS₂、(b)1T-TiSe₂、(c)1T-ZrS₂、(d)1T-ZrSe₂、(e)1T-HfS₂和(f)1T-HfSe₂的声子色散曲线、群速度(ν)和弛豫时间(τ)。左面板：基于SCP理论计算的简谐（T = 0 K）和非谐（T = 100∼900 K）声子色散曲线。中间和右边的面板：通过HA或SCP理论获得的在300 K下的ν和τ值（仅考虑3ph散射）。

图 5. 单层(a)1T-TiS₂、(b)1T-TiSe₂、(c)1T-ZrS₂、(d)1T-ZrSe₂、(e)1T-HfS₂和(f)1T-HfSe₂在300 K下的原子投影声子色散曲线。

图 6. 单层(a)1T-TiS₂、(b)1T-TiSe₂、(c)1T-ZrS₂、(d)1T-ZrSe₂、(e)1T-HfS₂和(f)1T-HfSe₂在不同计算模型下的热导率与温度的函数关系。

图 7. 基于SCP理论计算的单层(a)1T-TiS₂、(b)1T-TiSe₂、(c)1T-ZrS₂、(d)1T-ZrSe₂、(e)1T-HfS₂和(f)1T-HfSe₂的3ph和4ph散射率比较。

图 8. 基于SCP理论计算的单层(a)1T-TiS₂、(b)1T-TiSe₂、(c)1T-ZrS₂、(d)1T-ZrSe₂、(e)1T-HfS₂和(f)1T-HfSe₂的3ph和4ph散射相空间比较。插图：散射相空间 P₄-P₃ 的频率分辨比。

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