[論文レビュー] Effect of intrinsic defects on the thermal conductivity of PbTe from classical molecular dynamics simulations

Javier F. Troncoso, Pablo Aguado‐Puente+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2018

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 66被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、広い温度範囲にわたりPbTeの格子熱伝導率を正確にシミュレートできる古典的パラメータ化されたバクインガムポテンシャルを開発した。分子動力学を用いて、真性欠陥（バナディティや粒界など）が熱伝導率を約0.5 W/mKまで低下させ、純粋なバルク値の四分の一にまで低下させることを示した。この影響は、欠陥濃度が高くまたはナノスケールの粒径である場合に顕著になる。

ABSTRACT

Despite being the archetypal thermoelectric material, still today some of the most exciting advances in the efficiency of these materials are being achieved by tuning the properties of PbTe. Its inherently low lattice thermal conductivity can be lowered to its fundamental limit by designing a structure capable of scattering phonons over a wide range of length scales. Intrinsic defects, such as vacancies or grain boundaries, can and do play the role of these scattering sites. Here we assess the effect of these defects by means of molecular dynamics simulations. For this we purposely parametrize a Buckingham potential that provides an excellent description of the thermal conductivity of this material over a wide temperature range. Our results show that intrinsic point defects and grain boundaries can reduce the lattice conductivity of PbTe down to a quarter of its bulk value. By studying the size dependence we also show that typical defect concentrations and grain sizes realized in experiments normally correspond to the bulk lattice conductivity of pristine PbTe.

研究の動機と目的

• PbTeの温度依存的格子熱伝導率を正確に再現できる古典的パラメータ化された原子間ポテンシャルを開発すること。
• 真性欠陥（バナディティ、インタースティシャル、粒界など）がPbTeにおける熱輸送に与える影響を調査すること。
• 実験的に測定されたPbTeの熱伝導率が、真のバルク値を反映しているのか、それとも欠陥の影響を受けているのかを明確にすること。
• 現実の熱電気的運用条件下で、欠陥濃度と粒径が熱伝導率を低下させる役割を評価すること。

提案手法

• PbTeのフォノン分散および広い温度範囲（300–1000 K）における熱伝導率を再現できる、独自にパラメータ化されたクーロン＝バクインガムポテンシャルを構築した。
• 新規ポテンシャルを用いて古典的分子動力学（MD）シミュレーションを実施し、グリーン＝キューブ形式を用いて熱伝導率を計算した。
• スーパセルを用いたバナディティおよびインタースティシャルドーピングにより欠陥を導入し、ミスオリエンテーション角を変化させた二結晶構造を用いて粒界をモデル化した。
• 非平衡MDを用いて、界面に異なる角度で熱フラックスを印けることで、粒界における熱抵抗を計算した。
• 欠陥効果の温度依存性を評価するため、300 Kおよび500 Kでシミュレーションを実施した。
• 得られた結果を実験データおよび先行するMD研究と比較することで、ポテンシャルの妥当性を検証し、真性欠陥の役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バナディティなどの真性点欠陥が、PbTeの格子熱伝導率をどの程度低下させるか？
• RQ2 粒界のミスオリエンテーション角が、熱抵抗および多結晶PbTe全体の熱伝導率にどのように影響するか？
• RQ3 実験的に報告されたPbTeの熱伝導率値は、真のバルク値を反映しているのか、それとも欠陥の影響を大きく受けているのか？
• RQ4 古典的原子間ポテンシャルを、構造的および熱輸送特性の両方を高い忠実度で再現できるように正確にパラメータ化できるか？

主な発見

• 新たにパラメータ化されたクーロン＝バクインガムポテンシャルは、300–1000 Kの温度範囲でPbTeの温度依存的格子熱伝導率を正確に再現でき、従来の古典的ポテンシャルが示していた過大評価の問題を解決した。
• バナディティおよび粒界は、両方ともPbTeの格子熱伝導率を約0.5 W/mKまで低下させ、純粋なバルク値の約四分の一にまで低下させる。
• 粒界による熱抵抗は角度に強く依存しており、ミスオリエンテーション角が約20°–45°の範囲で最大抵抗（約10⁻⁸ m²K/W）を示す。特に、面内軸まわりのチルトに対して顕著である。
• 低濃度の欠陥（例：10⁻⁵～10⁻³）では、熱伝導率への影響は無視できるほど小さく、これは大多数の実験的測定が真のバルク値を反映していることを示唆する。
• 本研究では、真性欠陥が熱伝導率を顕著に変化させるのは、欠陥密度が非常に高く、またはナノスケールの粒径である極端な条件下でのみであることが確認された。これは、バルク多結晶材料ではまれな状況である。
• 実際の試料に欠陥が存在するにもかかわらず、バルク熱伝導率は実験的に測定可能であり、熱電材料研究における純粋なPbTeを基準として用いることの妥当性が裏付けられた。