[논문 리뷰] Anharmonic lattice dynamics study of phonon transport in layered and molecular-crystal indium iodides

Takuma Shiga, Yoshikazu Mizuguchi외 1명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 05.

Thermal properties of materials인용 수 0

한 줄 요약

본 논문은 InI 및 저압 InI3에서 퍼스트 프린시플 비조화 격자 다이나믹스를 이용해 포논 전달을 정량화하고, 구성 및 고압 상에서 입자 같은 포논 전달과 파동 같은 포논 전달이 각기 다른 역할을 한다는 결과와 함께 <1 W/mK 미만의 초저 렌탈 열전도도를 발견한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 층상 InI와 분자-결정체처럼 보이는 InI3에서 입자 같은 관점과 파동 같은 관점에서 포논 전달 메커니즘을 조사한다.
• 세-및 네-포논 산란을 포함한 비조화 격자 다이나다믹스를 사용해 격자 열전도도와 포논 수명을 정량화한다.
• InI3의 고압 상 및 적층 무질서가 열 전달에 미치는 영향을 평가한다.
• 고압 상에서 In2I6 층의 평면 내 진동 특성이 열 전달을 어떻게 지배하는지 탐구한다.

제안 방법

• InI 및 저압 InI3에 대해 optB88-vdW 보정을 포함한 DFT 최적화를 수행한다.
• Phonopy로 고조화 IFC를 계산하고 LO-TO 분리의 비해석 보정은 포함한다.
• 단일 모드 RTA에서 Peierls–Boltzmann 전도 방정식을 풀고, 3-포논 및 4-포논 산란과 포논-동위원 산란을 포함한다.
• 계산 비용을 줄이기 위해 샘플링 기반 방법으로 4-포논 기여를 추정한다.
• 지정된 컷오프를 사용해 3차 및 4차 차수 IFC를 적용한다(4차 차수는 NN 상호작용; InI의 3차 차수 반경은 5.5 Å, InI3는 4.3 Å).
• 간밴드터널링 형식을 사용해 κ의 파동-유사 기여를 평가하고 κPB와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 InI 및 저압 InI3의 넓은 온도 범위에서 격자 열전도도는 얼마인가?
• RQ2 입자-like(κPB)와 파동-like(κC) 포논 전달 기여는 InI 및 InI3에서 어떻게 비교되며, 구성과 온도에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 다양한 규칙적 적층 모델을 갖는 고압 InI3가 포논 전달 및 열역학적 특성에 어떤 영향을 주는가?
• RQ4 고압 InI3의 평면 내 열전달이 In2I6 층의 진동에 의해 주도되며, 단층(모노레이어) 거동과 벌크/무거운 적층 구조의 차이는 무엇인가?

주요 결과

• κtot for InI and low-pressure InI3 remains well below 1 W m−1 K−1 over a wide temperature range.
• For InI, κC (wave-like) is about 10% of κPB (particle-like) and does not dominate temperature trend deviations, with τ generally exceeding the Ioffe–Regel limit.
• Low-pressure InI3 exhibits strong anharmonicity where including four-phonon scattering reduces lifetimes and κ by roughly a factor of five compared to three-phonon only results; κC becomes comparable to κPB above ~270 K.
• High-pressure InI3 models (R̄3, P̄31c, P312, P̄31m) are energetically similar (differences <30 meV per f.u.) and yield similar in-plane κtot and spectral features, suggesting stacking sequence plays a minor role in-plane heat transport.
• An isolated In2I6 monolayer shows in-plane κtot ~0.6 W m−1 K−1 at 300 K, with four-phonon scattering significantly influencing τ and emphasizing layer-intrinsic vibrational properties over stacking alone.
• Overall, stacking confinement within layers and weak interlayer interactions can stabilize phonon modes and influence thermal transport in these complex layered/molecular-crystal systems.