[論文レビュー] Anharmonic lattice dynamics study of phonon transport in layered and molecular-crystal indium iodides

Takuma Shiga, Yoshikazu Mizuguchi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2026

Thermal properties of materials被引用数 0

ひとこと要約

論文は第一原理の非調和格子ダイナミクスを用いてInIと低圧のInI3におけるフォノン輸送を定量化し、粒子様および波動様フォノン輸送の役割が組成と高圧相で異なる超低い格子熱伝導度（<1 W/mK）を示すことを見出した。

ABSTRACT

Indium iodides, which adopt layered or molecular-crystal-like arrangements depending on composition, are expected to exhibit low lattice thermal conductivity because of their heavy constituent atoms and weak In-I bonding. In this work, we employed first-principles anharmonic lattice dynamics calculations to systematically investigate phonon transport in indium iodides from particle- and wave-like perspectives. The calculated lattice thermal conductivities of both materials remained below 1 W/m-K over a broad temperature range. Notably, the influence of wave-like phonon transport differed by composition: in InI3, the wave-like contribution became comparable to the particle-like Peierls contribution, whereas it remained negligible in InI. We also investigated the thermal transport properties of the experimentally reported high-pressure phase of InI3. Motivated by experimental indications of stacking faults and partial disorder in indium site occupancy within the rhombohedral phase, we constructed several ordered structural models with different stacking sequences. These stacking sequences exhibited no significant energetic preference and had similar lattice thermal conductivities, suggesting that in-plane thermal transport is largely governed by the vibrational properties of the In2I6 layers themselves rather than by the specific stacking sequence. These findings provide insight into phonon transport in layered and molecular-crystal systems with structural complexity and contribute to a broader understanding of thermal transport mechanisms in layered and molecular-crystal-like materials.

研究の動機と目的

• Layered InIおよび分子結晶のようなInI3におけるフォノン輸送機構を粒子様および波動様の観点から調査する。
• 三–四フォノン散乱を伴う非調和格子ダイナミクスを用いて格子熱伝導度とフォノン寿命を定量化する。
• InI3の高圧相および積層不規則性が熱輸送に与える影響を評価する。
• In2I6層の面内振動特性が高圧相の熱輸送を支配するかを探る。

提案手法

• InIと低圧InI3に対してoptB88-vdW補正付きDFT最適化を実施する。
• Phonopyによる調和IFCを計算しLO-TO分割の非解析補正を含める。
• 単一モード近似のPeierls–Boltzmann輸送方程式を解き、3-および4-フォノン散乱とフォノン同位体散乱を含める。
• 計算コストを削減するため四フォノン寄与をサンプリングベースのアプローチで推定する。
• 4次ORDERのカットオフを用いた第三・第四次秩序のIFCsを適用する（4次はNN相互作用、InIは3次半径5.5 Å、InI3は4.3 Å）。
• 帯間トンネリング形式を用いて波動様寄与κを評価し、κPBと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 InIと低圧InI3の広温度域における格子熱伝導度はどのくらいか。
• RQ2 粒子様（κPB）と波動様（κC）フォノン輸送寄与はInIとInI3でどのように比較され、組成と温度にどう依存するか。
• RQ3 様々な秩序化積層モデルを持つ高圧InI3はフォノン輸送と熱力学的特性にどう影響するか。
• RQ4 高圧InI3の面内熱輸送はIn2I6層の振動が支配的か、単層挙動と多層・重積層構造でどう異なるか。

主な発見

• InIおよび低圧InI3のκtotは広い温度範囲で1 W m−1 K−1未満にとどまる。
• InIではκC（波動様）はκPB（粒子様）の約10%であり、温度傾向のずれを支配せず、τは一般にIoffe–Regel限界を超える。
• 低圧InI3は強い非調和性を示し、四フォノン散乱を含めると寿命とκが三フォノンのみの結果より約5分の1に減少する；κCは約270 Kを超えるとκPBと同等となる。
• 高圧InI3モデル（R̄3、P̄31c、P312、P̄31m）はエネルギー的に類似しており（差はf.u.あたり<30 meV）、面内κtotとスペクトル特徴も類似しており、積層配列は面内の熱輸送に対して大きな役割を果たさないことを示唆する。
• 孤立したIn2I6モノ層は300 Kで面内κtot約0.6 W m−1 K−1を示し、四フォノン散乱がτに大きく影響し層内の振動特性を積層だけに依存させない。
• 全体として、層内の積層閉じ込めと弱い層間相互作用はフォノンモードを安定化させ、これらの複雑な層状/分子結晶系の熱輸送に影響を与える。