The role of copper in the thermal conductivity of thermoelectric oxychalcogenides: do lone pairs matter?

文献情報

出版日 2015-11-06
DOI 10.1039/C5CP06192J
インパクトファクター 3.676
著者

P. Vaqueiro, R. A. R. Al Orabi, G. Guélou, A. V. Powell, R. I. Smith, J.-P. Song, D. Wee, M. Fornari


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要旨

Understanding the underlying mechanisms that suppress thermal conduction in solids is of paramount importance for the targeted design of materials for thermal management and thermoelectric energy conversion applications. Bismuth copper oxychalcogenides, BiOCuQ (Q = Se, Te), are highly crystalline thermoelectric materials with an unusually low lattice thermal conductivity of ∼0.5 Wm−1 K−1, a value normally found in amorphous materials. Here we unveil the origin of the unusual thermal transport properties of these phases. First principles calculations of the vibrational properties combined with analysis of in-situ neutron diffraction data, demonstrate that weak bonding of copper atoms within the structure leads to an unexpected vibrational mode at low frequencies, which is likely to be a major contributor to the low thermal conductivity of these materials. In addition, we show that anharmonicity and the large Grüneisen parameter in these oxychalcogenides are mainly related to the low frequency copper vibrations, rather than to the Bi3+ lone pairs.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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