近日，南方科技大學物理系講席教授何佳清團隊在熱電半導體材料的熱輸運機理方面取得重要進展，相關研究成果以「First-Principles Study of Anharmonic Lattice Dynamics in Low Thermal Conductivity AgCrSe2: Evidence for a Large Resonant Four-Phonon Scattering」為題在《物理評論快報》（Physical Review Letters）發表。
在傳統的半導體熱輸運理論中，材料的晶格熱導率主要由三聲子相互作用所引起的三聲子散射機制所決定。此時，聲子的散射機率τ-1與溫度和聲子頻率平方滿足正比關係（τ-1∝ω2T）。因此，人們常常認為低頻的聲學支聲子是半導體材料導熱的主要載流子。然而近年來，研究人員陸續在一部分具有極低晶格熱導率性質的熱電材料中發現反常的熱輸運現象，且無法用傳統的三聲子相互作用框架下的熱輸運理論進行合理地解釋。對這些反常現象及其物理機制的研究，不僅有助於人們深入探索新的熱輸運機制（如高階聲子相互作用，非對角元晶格熱導率），而且也有助於指導新的低晶格熱導率材料體系的挖掘和研究。
何佳清團隊在該研究中，通過多體微擾理論系統研究了具有贗二維層狀結構的AgCrSe2材料（如圖1a所示）從低溫100 K到室溫300 K的非諧晶格動力學。經過理論計算，研究團隊發現在AgCrSe2中，Ag原子與周圍原子間存在著極強的四階非諧相互作用，橫波聲學支在布裡淵區內表現為獨特的平坦能量色散關係（如圖1b所示）。這兩者導致了四聲子費米共振現象，並大幅增加了聲學支聲子的四聲子相互作用散射機率（如圖2所示）。研究還發現，在100-300 K溫度範圍內四聲子散射機率甚至會比三聲子散射機率高一個數量級，即聲學支聲子的熱輸運實際上是由四聲子相互作用所主導的。
在以上的研究基礎上，何佳清團隊還將研究結果推廣到如銅滷族、SnSe、PbTiO3和填充方鈷礦等一系列材料體系，證明了四聲子費米共振模型的普適性。
圖1. (a) AgCrSe2的晶體結構；(b) AgCrSe2的理論聲子能量色散關係，可見其中平坦的橫波聲學支聲子色散。
圖2. (a)四聲子費米共振模型；(b)考慮四聲子和三聲子相互作用下AgCrSe2的理論聲子譜函數；(c)只考慮三聲子相互作用下AgCrSe2的理論聲子譜函數。可見四聲子相互作用對橫波聲學支聲子的重要影響。
南科大物理系研究副教授謝琳為論文的第一作者，何佳清團隊博士後馮江河與南科大環境科學與工程學院研究助理教授李榮在本工作的推進中給予了大力支持。何佳清為文章的唯一通訊作者。
該研究得到了國家自然科學基金重點項目、廣東省人才基金、深圳市科創委基礎研究等項目的資助。同時，南方科技大學超算平臺對本研究給予了支持。
來源：南方科技大學
論文連結：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.245901
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