线上会议实录｜欧阳滔：碲化物（XTe, X=Hg, Cd, Zn）热导反常压应变行为的机理研究

CMOS2017 专题一研讨会 “微纳米尺度传热”2017计算材料线上研讨会（CMOS 2017）第1702

Sat Jul 15 00:00:00 CST 2017 材料人

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CMOS2017 专题一研讨会 “微纳米尺度传热”

2017计算材料线上研讨会（CMOS 2017）第1702期报告03于北京时间2017年7月14日20:00，专题一研讨会：“微纳米尺度传热”由秦光照（德国亚琛工业大学）筹划组织。本次研讨会报告人为欧阳滔。

报告人简介：博士，湘潭大学副教授，主要致力于低维纳米结构量子输运性质的研究。目前以第一作者或通信作者在Physical Review B，Applied Physics Letters，Nanotechnology等国际著名学术期刊上发表SCI论文10余篇。现担当Carbon, Physical Chemistry Chemical Physics, RSC Advances, Journal of Applied Physics等期刊的通讯评审人。主持国家自然科学基金青年项目和国际（地区）合作项目各一项，湖南省科技厅和教育厅自然科学基金项目各一项，并作为骨干成员参了教育部重大科技培育项目以及多项国家自然科学基金和湖南省自然科学基金的研究。近年来在碳纳米结构热传导及能量转换方面的研究成果引起了国内外同行的广泛关注和重视，学术论文被国内外同行引用400余次。

代表作论文：

PS：点击文末“阅读原文”可查看今日报告（专题一报告03）详细内容。

报告讲稿

众所周知热电技术是缓解目前全球能源和环境危机的有效途径之一。然而由于电子和声子本征的耦合特性，传统块体材料的热电转换效率普遍比较低下，商业应用困难。因此为了克服这一技术短板，人们提出了多种方法来提高材料的热电性能，例如，构造声子玻璃-电子晶体或者声子液体-电子晶体这样的构型。热电转换效率同样也可以通过调控能带、几何结构得以提高。

除了这些方法以外，施加压强也是一个调控材料电学性质进而优化其热电性能的有效途径。例如在这些热电材料中，其热电势能通过施加压强得到有效地提升。那压强对其热导的影响如何呢？如果压强对热导起负贡献的话，那么根据热电品质因子的定义，压强将能极大地增强材料热电性能。

然而遗憾的是，先前的研究表明材料的热导一般均会压强的增加而增大。例如金刚石，块体桂等等。这一增强主要来源于群速的上升和声子-声子散射的减弱。增加的热导抵消了压强对材料电学性质的正贡献，进而限制了压强在热电研究领域的应用。然而，我们很自然就会问，热导随压强增加而上升这是不是一个普世的规律呢？在本报告中，以三种典型碲化物为例，我们将告诉大家这并不是一个普世的规律。

下面，我们简要介绍下我们的计算方法

在我们的计算中，我们运用VASP这一第一原理代码优化几何结构并计算系统的力常数。一旦我们获得了力常数，我们就可以应用phonopy和声子玻尔兹曼代码计算材料的色散关系、热导等等热输运物理量。基于这种方法我们研究了压强对碲化汞，碲化镉和碲化锌这三种典型碲化物的热输运性质。这里我们主要关注了他们的闪锌矿结构。

从声子谱中我们可以发现无论是哪种碲化物，压强对于低频率的横波声学声子支的影响都十分微弱，甚至在X和K点出现了部分软化，即声子频率向低频率移动。对于纵波声学声子和光学声子支，它们均会随着压强的增加而逐渐向高频区移动。

这些现象与先前的发现基本一致，并没有什么反常的。

但是我们却发现这三个材料的热导展现出完全不同的压应变响应。

1.对于碲化汞，它的热导随着压强的增加而逐渐下，温度越低下降的幅度越大。这是非常反常的热现象，因为压强对于大部分传统材热导而言都是发挥着正贡献的。

2.对于碲化镉，其热导只在低温下会随着压强的增加而下降。在100K和300K下，其热导基本不随着压强产生明显变化。

3.对于碲化锌，我们可以发现其热导在任何温度下会随着压强的增加缓慢增强，展现出普世的规律.

为了解释这三种碲化物不同的压强响应，基于声子波尔兹曼输运方程，我们对材料的声子模式信息，即：热容、群速和弛豫时间，进行了拆解分析：

1.对于简谐部分，我们可以发现，当施加压强时，这三种碲化物的热容、群速均会随着压强的增强而微弱增加；

2.对于非简谐部分，我们可以看到压强极大地削弱了碲化汞的声学声子弛豫时间，但是压强对于光学声子弛豫时间的影响较弱；

3.与碲化汞的声子弛豫时间显著下降不同，对于碲化镉而言，其只有横波声学声子弛豫时间在低温下有所降低。随着温度的升高，声子弛豫时间的减少逐渐消失；

4.然而，对于碲化锌，我们可以看到其声子弛豫时间基本不随压强变化而改变；

从以上结果，我们可以得到一个结论那就是碲化汞、碲化镉和碲化锌这三种典型碲化物热导不同的压强响应主要来源于它们不同的非简谐项.

下面我们再来细致地分析它们的非简谐项

声子输运的非简谐项主要由格林爱森常数和三声子散射相空间来决定，其中格林爱森常数主要决定声子散射的强度，而三声子散射相空间主要决定散射的数量

对于碲化汞，我们可以发现在频率低于1THz区间存在着明显的负的格林爱森常数，这主要由横波声学声子的贡献。在压强下，格林爱森常数向下移动，也就是其强度更大了。根据声子弛豫时间和格林爱森常数的定性关系，这说明压强增强了碲化汞的非简谐效应进而导致了其热导随着压强的增加而逐渐下降。

然而，碲化镉和碲化锌格林爱森常数随压强的变化要远弱于碲化汞。因此，它们的热导随压强的变化就没有那么明显。

此外，从下面的这些图中我们可以发现压强对这三种典型碲化物三声子散射相空间的影响十分微弱。压强主要调控了它们的散射强度。

接下来，我们将展示三种不同的物理量来表征声子的非简谐效应，有可能帮助我们进一步理解这种反常的热导压应变响应：

C₄₄弹性模量能够定性地描述横波声学声子的频率。根据格林爱森常数的另外一个定义，我们可以从它的变化来表征材料的非简谐效应强弱。从图中可以发现，碲化汞的斜率最大，而碲化锌斜率最小。这也就说明碲化汞拥有较强的声子非简谐效应，而碲化锌中非简谐效应较弱。

同时我们还发现，格林爱森常数还与热膨胀系数密切相关。负的热导压强依赖关系一般伴随着较大的负的热膨胀系数。但是这些物理量与热导的定量关系，我们仍然在探索中。

到目前我们得到了一个概念那就是碲化汞中的非简谐效应较强，但是为什么会强，我们还是没有个解释，那么为了回答这个问题，我们计算了这三种典型碲化物的差分电荷密度图。

从图中我们可以看到，对于碲化汞电子主要分布在碲原子附近，而碲化镉和碲化锌分布在碲和镉、锌原子之间。这说明碲化汞中的原子成键更多的倾向于离子键，而碲化镉和碲化锌则共价键成分更多。我们都知道共价键有很强的方向性而离子键方向性较弱，原子与原子之间更容易产生滑移。这一滑移会阻碍声子的传输并导致声子散射。在施加压强下，这一滑移增强进而导致了其热导随压强的下降。

最后，我们对我们的工作做一个总结。

报告PPT概览