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凝聚态物理 > 材料科学

arXiv:2508.17318 (cond-mat)
[提交于 2025年8月24日 ]

标题: 晶体材料中双热输运通道的协同抑制策略

标题: Cooperative Suppression Strategy for Dual Thermal Transport Channels in Crystalline Materials

Authors:Yu Wu, Ying Chen, Shuming Zeng, Hao Zhang, Liujiang Zhou, Chenhan Liu, Su-Huai Wei
摘要: 我们提出了一种新的设计原理,通过“重-轻和软-硬”结构基元,在晶体材料中实现超低热导率。 通过将重原子和轻原子种类与软键合和硬键合网络结合,粒子-like($\kappa_p$)和波-like($\kappa_c$)声子输运通道同时被抑制。 第一性原理计算表明,这种结构诱导出分层的声子谱:软键合的重原子产生密集的低频模,增强散射并降低$\kappa_p$,而硬键合的轻原子产生稀疏的高频光学分支,破坏相干性并降低$\kappa_c$。 高通量筛选识别出 Tl$_4$SiS$_4$ ($\kappa_p$ = 0.10, $\kappa_c$ = 0.06 W/mK) 和 Tl$_4$GeS$_4$ ($\kappa_p$ = 0.09, $\kappa_c$ = 0.06 W/mK) 作为具有在两个通道中强烈抑制传输的代表性候选材料。 一个最小的1D三原子链模型进一步证明了该机制的普遍性,提供了一种超越传统$\kappa_p$-$\kappa_c$限制的声子工程新范式。
摘要: We propose a novel design principle for achieving ultralow thermal conductivity in crystalline materials via a "heavy-light and soft-stiff" structural motif. By combining heavy and light atomic species with soft and stiff bonding networks, both particle-like ($\kappa_p$) and wave-like ($\kappa_c$) phonon transport channels are concurrently suppressed. First-principles calculations show that this architecture induces a hierarchical phonon spectrum: soft-bonded heavy atoms generate dense low-frequency modes that enhance scattering and reduce $\kappa_p$, while stiff-bonded light atoms produce sparse high-frequency optical branches that disrupt coherence and lower $\kappa_c$. High-throughput screening identifies Tl$_4$SiS$_4$ ($\kappa_p$ = 0.10, $\kappa_c$ = 0.06 W/mK) and Tl$_4$GeS$_4$ ($\kappa_p$ = 0.09, $\kappa_c$ = 0.06 W/mK) as representative candidates with strongly suppressed transport in both channels. A minimal 1D triatomic chain model further demonstrates the generality of this mechanism, offering a new paradigm for phonon engineering beyond the conventional $\kappa_p$-$\kappa_c$ trade-off.
主题: 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci) ; 计算物理 (physics.comp-ph)
引用方式: arXiv:2508.17318 [cond-mat.mtrl-sci]
  (或者 arXiv:2508.17318v1 [cond-mat.mtrl-sci] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.17318
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Yu Wu [查看电子邮件]
[v1] 星期日, 2025 年 8 月 24 日 11:56:48 UTC (16,939 KB)
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