热电半导体材料的热输运机理方面取得研究进展

近日，南方科技大学物理系讲席教授何佳清团队在热电半导体材料的热输运机理方面取得重要进展，相关研究成果以“First-Principles Study of Anharmonic Lattice Dynamics in Low Thermal Conductivity AgCrSe2: Evidence for a Large Resonant Four-Phonon Scattering”为题在《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表。

在传统的半导体热输运理论中，材料的晶格热导率主要由三声子相互作用所引起的三声子散射机制所决定。此时，声子的散射几率τ-1与温度和声子频率平方满足正比关系（τ-1∝ω2T）。因此，人们常常认为低频的声学支声子是半导体材料导热的主要载流子。然而近年来，研究人员陆续在一部分具有极低晶格热导率性质的热电材料中发现反常的热输运现象，且无法用传统的三声子相互作用框架下的热输运理论进行合理地解释。对这些反常现象及其物理机制的研究，不仅有助于人们深入探索新的热输运机制（如高阶声子相互作用，非对角元晶格热导率），而且也有助于指导新的低晶格热导率材料体系的挖掘和研究。

何佳清团队在该研究中，通过多体微扰理论系统研究了具有赝二维层状结构的AgCrSe2材料（如图1a所示）从低温100 K到室温300 K的非谐晶格动力学。经过理论计算，研究团队发现在AgCrSe2中，Ag原子与周围原子间存在着极强的四阶非谐相互作用，横波声学支在布里渊区内表现为独特的平坦能量色散关系（如图1b所示）。这两者导致了四声子费米共振现象，并大幅增加了声学支声子的四声子相互作用散射几率（如图2所示）。研究还发现，在100-300 K温度范围内四声子散射几率甚至会比三声子散射几率高一个数量级，即声学支声子的热输运实际上是由四声子相互作用所主导的。

在以上的研究基础上，何佳清团队还将研究结果推广到如铜卤族、SnSe、PbTiO3和填充方钴矿等一系列材料体系，证明了四声子费米共振模型的普适性。

图1. (a) AgCrSe2的晶体结构；(b) AgCrSe2的理论声子能量色散关系，可见其中平坦的横波声学支声子色散。

图2. (a)四声子费米共振模型；(b)考虑四声子和三声子相互作用下AgCrSe2的理论声子谱函数；(c)只考虑三声子相互作用下AgCrSe2的理论声子谱函数。可见四声子相互作用对横波声学支声子的重要影响。

南科大物理系研究副教授谢琳为论文的第一作者，何佳清团队博士后冯江河与南科大环境科学与工程学院研究助理教授李荣在本工作的推进中给予了大力支持。何佳清为文章的唯一通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金重点项目、广东省人才基金、深圳市科创委基础研究等项目的资助。同时，南方科技大学超算平台对本研究给予了支持。（文/南方科技大学)