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Strong lattice anharmonicity exhibited by the high-energy optical phonons in thermoelectric material

熱電材料における格子振動の中の高いエネルギーの光学モードに見られる強い格子非調和性

Wu, P.*; Fan, F.-R.*; 萩原 雅人*; 古府 麻衣子  ; Peng, K.*; 石川 喜久*; Lee, S.*; 本田 孝志*; 米村 雅雄*; 池田 一貴*; 大友 季哉*; Wang, G.*; 中島 健次  ; Sun, Z.*; 神山 崇*

Wu, P.*; Fan, F.-R.*; Hagihara, Masato*; Kofu, Maiko; Peng, K.*; Ishikawa, Yoshihisa*; Lee, S.*; Honda, Takashi*; Yonemura, Masao*; Ikeda, Kazutaka*; Otomo, Toshiya*; Wang, G.*; Nakajima, Kenji; Sun, Z.*; Kamiyama, Takashi*

熱電材料SnSeは、過去数年間で世界的な関心を呼び、その固有の強い格子非調和性は、その優れた熱電性能の重要な要素と見なされている。一方、SnSeにおける格子非調和性の理解は、特にフォノンダイナミクスがこの動作によってどのように影響を受けるかに関して、依然として不十分である。そのため、中性子全散乱,非弾性中性子散乱,ラマン分光法、および凍結フォノン計算により、Na$$_{0.003}$$Sn$$_{0.997}$$Se$$_{0.9}$$S$$_{0.1}$$の格子力学の包括的な研究を行った。格子非調和性は、対分布関数,非弾性中性子散乱、およびラマン測定によって確かめられた。熱膨張と多重フォノン散乱の影響を分離することにより、後者は高エネルギー光学フォノンモードで非常に重要であることがわかった。フォノンモードの強い温度依存性は、この系の非調和性を示している。さらに、我々のデータは、Sドーピングにより、高エネルギー光学フォノンの線幅が広がることを明らかにした。私たちの研究は、SnSeの熱電性能は、フォノンエンジニアリングを介して格子熱伝導率への高エネルギー光学フォノンモードの寄与を減らすことによってさらに強化できることを示唆する。

Thermoelectric material SnSe has aroused world-wide interests in the past years, and its inherent strong lattice anharmonicity is regarded as a crucial factor for its outstanding thermoelectric performance. However, the understanding of lattice anharmonicity in SnSe system remains inadequate, especially regarding how phonon dynamics are affected by this behavior. In this work, we present a comprehensive study of lattice dynamics on Na$$_{0.003}$$Sn$$_{0.997}$$Se$$_{0.9}$$S$$_{0.1}$$ by means of neutron total scattering, inelastic neutron scattering, Raman spectroscopy as well as frozen-phonon calculations. Lattice anharmonicity is evidenced by pair distribution function, inelastic neutron scattering and Raman measurements. By separating the effects of thermal expansion and multi-phonon scattering, we found that the latter is very significant in high-energy optical phonon modes. The strong temperature-dependence of these phonon modes indicate the anharmonicity in this system. Moreover, our data reveals that the linewidths of high-energy optical phonons become broadened with mild doping of sulfur. Our studies suggest that the thermoelectric performance of SnSe could be further enhanced by reducing the contributions of high-energy optical phonon modes to the lattice thermal conductivity via phonon engineering.

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分野:Physics, Multidisciplinary

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