[論文レビュー] Thermal conductivity of perovskite KTaO3 and PbTiO3 from first principles

Yuhao Fu, David J. Singh|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2018

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、PbTiO3がKTaO3よりも顕著に低い熱伝導率を示す理由を解明し、AサイトとBサイトにおける強誘電性の違いに起因する異なるフォノン分散の影響を特定している。主な発見は、PbTiO3におけるAサイト駆動型強誘電性が、大きな三フォノン散乱位相空間を持つ平坦で低周波数の光学フォノンを生じさせ、強い非調和的散乱を引き起こし、熱輸送を低減することである。一方、強誘電性転移への近接性が主要因ではないことが示された。

ABSTRACT

The low thermal conductivity of piezoelectric perovskites is a challenge for high power transducer applications. We report first principles calculations of the thermal conductivity of ferroelectric PbTiO$_3$ and the cubic nearly ferroelectric perovskite KTaO$_3$. The calculated thermal conductivity of PbTiO$_3$ is much lower than that of KTaO$_3$ in accord with experiment. Analysis of the results shows that the reason for the low thermal conductivity of PbTiO$_3$ is the presence of low frequency optical phonons associated with the polar modes. These are less dispersive in PbTiO$_3$, leading to a large three phonon scattering phase space. These differences between the two materials are associated with the $A$-site driven ferroelectricity of PbTiO$_3$ in contrast to the $B$-site driven near ferroelectricity of KTaO$_3$. The results are discussed in the context of modification of the thermal conductivity of electroactive materials.

研究の動機と目的

• PbTiO3 や PZT などの強誘電体ペロブスカイトにおける超低熱伝導率の起源を理解すること。これは、高出力トランスデューサの性能を制限する要因である。
• Aサイト駆動型（PbTiO3）とBサイト駆動型（KTaO3）ペロブスカイトにおける熱伝導率のメカニズムを比較すること。
• 低熱伝導率の主な要因が、強誘電性転移への近接性か、フォノン分散の特性かを特定すること。
• ペイエゾエレクトリック性能を損なわずに、電気活性ペロブスカイトの熱伝導率を向上させるための設計原則を同定すること。

提案手法

• 非調和的三フォノン散乱を含む線形化ボルツマン＝ペアールス輸送方程式を用いた格子熱伝導率の第一原理計算。
• 立方晶ペロブスカイト構造におけるフォノン輸送を解くために、ShengBTEパッケージの実装。
• 実験的および完全に最適化された格子定数を用いて、熱伝導率に対する構造感受性を評価。
• 非調和性およびモードの軟化を解明するため、フォノン分散関係、状態密度、および Grüneissen パラメータの分析。
• 異なる格子体積における PbTiO3 と KTaO3 間の三フォノン散乱位相空間（W±）の比較。
• 強誘電性転移への近接性を評価するため、KTaO3 における体積拡張がフォノンモードおよび熱伝導率に与える影響の調査。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PbTiO3 は KTaO3 と同様にペロブスカイトであるにもかかわらず、なぜ顕著に低い熱伝導率を示すのか？
• RQ2 PbTiO3 の低熱伝導率は、主に強誘電性相転移への近接性に起因するのか、それとも固有のフォノン分散特性に起因するのか？
• RQ3 Aサイト駆動型とBサイト駆動型の強誘電性メカニズムは、フォノン散乱および熱輸送にどのように異なる影響を及ぼすのか？
• RQ4 ペロブスカイト強誘電体の熱伝導率は、ペイエゾエレクトリック応答を劣化させることなく向上させられるか？
• RQ5 Bサイトカチオンの変位と酸素結合の相関が、フォノン分散および熱伝導率に果たす役割は何か？

主な発見

• PbTiO3 の計算された熱伝導率は、KTaO3 よりも著しく低く、実験データ（300 K で κ ≈ 2 W/mK）と整合している。一方、KTaO3 では約 15 W/mK である。
• PbTiO3 の低熱伝導率の主な原因は、Pb のオフセンター変位に起因する低周波数で弱く分散する光学フォノンであり、これにより大きな三フォノン散乱位相空間が形成される。
• 一方、KTaO3 は、共鳴的なBサイト（Ta）の変位により、より分散性の高いフォノンモードを示し、散乱が低減され、熱伝導率が高くなる。
• KTaO3 における格子体積の拡張によって強誘電性不安定性に近づくが、散乱位相空間はわずかに増大するにとどまり、熱伝導率の顕著な低下には寄与しない。これは、近接性が主因ではないことを示唆している。
• PbTiO3 の極性モードの Grüneissen パラメータは負であり、圧力下での軟化を示し、強誘電性の抑制と非調和性の増大と整合的である。
• 本研究では、AサイトとBサイトの変位の間の結合を強化することで、熱伝導率を向上させつつペイエゾエレクトリック機能を維持できる可能性が示唆された。