[논문 리뷰] Effect of intrinsic defects on the thermal conductivity of PbTe from classical molecular dynamics simulations

Javier F. Troncoso, Pablo Aguado‐Puente외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 22.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 66인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 넓은 온도 범위에서 PbTe의 격자 열전도도를 정확하게 시뮬레이션할 수 있도록 고전적 방법으로 매개변수화된 버킹엄 포텐셜을 개발한다. 분자 동역학를 통해 고전적 결함—예를 들어 빈약과 결정립 경계—가 열전도도를 약 0.5 W/mK로 감소시켜 순수한 막대 상태의 값의 1/4 수준으로 낮출 수 있음을 입증한다. 이러한 영향은 높은 결함 농도 또는 나노스케일의 결정립 크기에서만 뚜렷하게 나타난다.

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.

연구 동기 및 목표

• PbTe의 온도 의존 격자 열전도도를 정확히 재현할 수 있도록 고전적 방법으로 매개변수화된 상호작용 포텐셜을 개발하는 것.
• 내재 결함—빈약, 이물질, 결정립 경계—가 PbTe 내 열전도에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 실험적으로 측정된 PbTe의 열전도도 값이 내재 막대 상태 값과 일치하는지 여부를 명확히 하는 것.
• 실제 열전기 작동 조건에서 결함 농도와 결정립 크기가 열전도도 감소에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• PbTe의 격자 진동 분포와 열전도도를 넓은 온도 범위(300–1000 K)에서 재현할 수 있도록 맞춤형 쿠론-버킹엄 포텐셜을 매개변수화한다.
• 새로운 포텐셜을 사용하여 고전적 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하고, 그린-쿠보 방법을 통해 열전도도를 계산한다.
• 초세포에서 빈약과 이물질 도핑을 통해 결함을 도입하고, 다양한 기울기 각도를 가진 이결정 구조를 사용하여 결정립 경계를 모델링한다.
• 비평형 MD를 사용하여 열류가 경계면을 관통할 때 열저항을 계산하며, 다양한 각도에서 열류를 적용한다.
• 결함 영향의 온도 의존성을 평가하기 위해 300 K와 500 K에서 시뮬레이션을 수행한다.
• 결과를 실험 데이터와 이전의 MD 연구와 비교하여 포텐셜의 타당성을 검증하고 내재 결함의 역할을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빈약과 같은 내재 점 결함가 PbTe의 격자 열전도도를 얼마나 감소시키는가?
• RQ2 결정립 경계의 기울기 각도는 다결정 PbTe에서 열저항과 전체 열전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실험적으로 보고된 PbTe의 열전도도 값은 내재 막대 상태 값과 일치하는가, 아니면 결함의 영향을 크게 받는가?
• RQ4 고전적 원자 간 포텐셜이 구조적 특성과 열전도 성능을 고정밀도로 재현할 수 있도록 정확하게 매개변수화될 수 있는가?

주요 결과

• 새로 매개변수화된 쿠론-버킹엄 포텐셜은 300–1000 K 범위에서 PbTe의 온도 의존 격자 열전도도를 정확히 재현하며, 이전 고전적 포텐셜이 과도하게 높게 평가했던 문제를 해결한다.
• 빈약과 결정립 경계 각각이 PbTe의 격자 열전도도를 약 0.5 W/mK로 감소시켜 순수 막대 상태 값의 약 1/4 수준으로 낮춘다.
• 결정립 경계의 열저항은 각도에 매우 민감하며, 기울기 각도가 약 20°–45°일 때 최대 저항(~10⁻⁸ m²K/W)을 나타내며, 특히 평면 내 축을 중심으로 기울이는 경우에 특히 두드러진다.
• 낮은 결함 농도(예: 10⁻⁵에서 10⁻³)에서는 열전도도에 미치는 영향이 무시할 수 있을 정도로 작으며, 이는 대부분의 실험 측정값이 내재 막대 상태 값을 반영하고 있음을 시사한다.
• 이 연구는 내재 결함이 극단적인 조건—예를 들어 높은 결함 농도 또는 나노스케일의 결정립 크기—에서서야 열전도도에 뚜렷한 영향을 미친다는 것을 확인한다. 이러한 조건은 막대 다결정 샘플에서는 흔하지 않다.
• 실제 샘플에 결함이 존재하더라도 막대 열전도도는 실험적으로 측정 가능하며, 이는 열전기 연구에서 순수 PbTe를 기준으로 사용하는 것이 타당함을 검증한다.