[논문 리뷰] Photoinduced anisotropic lattice dynamic response and domain formation in thermoelectric SnSe

Wei Wang, Lijun Wu외 14명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 24.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 47인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 MeV 초고속 전자 衍射(UED)을 몽테카를로 동적 시뮬레이션 및 제1원리 계산과 결합하여 열전 재료인 SnSe에서 광유도 이방성 격자 비틀림을 규명한다. 연구는 브릴루앙 영역 중심에서의 연성 있고 비선형적인 횡파 광자 모드(TO Ag)가 c축 원자 이동을 유도하고, 이로 인해 계면 간 비틀림 응력이 발생하여 b-c 평면에서 일시적인 도메인 형성이 유도되며, 이는 더욱 강한 격자 진동 산란을 통해 열전도도를 크게 감소시킴을 밝혀낸다.

ABSTRACT

Identifying and understanding the mechanisms behind strong phonon-phonon scattering in condensed matter systems is critical to maximizing the efficiency of thermoelectric devices. To date, the leading method to address this has been to meticulously survey the full phonon dispersion of the material in order to isolate modes with anomalously large linewidth and temperature-dependence. Here we combine quantitative MeV ultrafast electron diffraction (UED) analysis with Monte Carlo based dynamic diffraction simulation and first-principles calculations to directly unveil the soft, anharmonic lattice distortions of model thermoelectric material SnSe. A small single-crystal sample is photoexcited with ultrafast optical pulses and the soft, anharmonic lattice distortions are isolated using MeV-UED as those associated with long relaxation time and large displacements. We reveal that these modes have interlayer shear strain character, induced mainly by c-axis atomic displacements, resulting in domain formation in the transient state. These findings provide an innovative approach to identify mechanisms for ultralow and anisotropic thermal conductivity and a promising route to optimizing thermoelectric devices.

연구 동기 및 목표

• 열전 재료인 SnSe에서 강한 격자 진동-격자 진동 산란을 이끄는 미시적 메커니즘을 규명하는 것.
• 초고속 광학 자극이 열전도도 감소를 유도하는 일시적 격자 비틀림을 유도하는 방식을 이해하는 것.
• 비선형 격자 동역학이 일시적 도메인 형성과 어떻게 연결되는지 밝혀내는 것.
• 비평형 격자 동역학을 탐색하기 위한 MeV-UED, 동적 衍射 시뮬레이션 및 제1원리 계산을 융합한 방법론을 수립하는 것.

제안 방법

• 단일 결정 SnSe의 격자 동역학을 탐색하기 위해 시간 해상도가 350 fs 이내인 MeV 초고속 전자 衍射(UED)을 활용한다.
• 원자 이동과 도메인 형성에 의한 강도 변화를 모델링하기 위해 몽테카를로 기반의 동적 衍射 시뮬레이션을 적용한다.
• 유한 이격 방법을 사용한 밀도함수이론(DFT) 및 격자 진동 분포 계산을 통해 연성 있는 진동 모드를 규명한다.
• 시간 해상도가 높은 브라그 피크 강도 변화 및 비대칭적인 산란 패턴을 분석하여 장시간 척도의 격자 비틀림을 분리한다.
• 다중 촬영 UED 패턴을 시뮬레이션하고 응력 효과를 추출하기 위해 도메인 모서리가 무작위로 이동된 초세포 모델을 사용한다.
• 원자 이동 및 열진동(데이비-월러 인자)에 따른 衍射 강도 변화의 정량적 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광자 자극 후 관측된 장시간 스케일의 회복 시간 상수(~18.3 ps)를 유도하는 격자 비틀림은 무엇인가?
• RQ2 c축 방향 원자 이동이 b-c 평면에서의 계면 간 비틀림 응력과 도메인 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 브라그 피크 주변 UED 차이도에서 관측되는 비대칭 강도 분포의 원인은 무엇인가?
• RQ4 유사한 자극 조건에서도 300 K에서는 일시적 도메인 형성이 억제되는 이유는 무엇인가?
• RQ5 특히 TO Ag 모드를 포함한 비선형 진동 모드가 관측된 격자 동역학과 열전도도 감소를 어떻게 유도하는가?

주요 결과

• SnSe의 Pnma 상에서 브릴루앙 영역 중심에 위치한 연성 있고 비선형적인 횡파 광자 모드(TO Ag)가 초고속 광자 펄스에 의해 강하게 자극되며, 이 회복 시간 상수는 약 ~18.3 ± 3.1 ps이다.
• 주로 c축 방향의 원자 이동이 계면 간 비틀림 응력을 유도하고, 이로 인해 c축 방향의 상관 길이가 감소하며, 평면 내 도메인 핵형성이 유도된다.
• 90 K에서 일시적 도메인 형성이 약 20 ps 동안 관측되며, Ag 광자 모드의 응력 효과가 상호 작용하면서 도메인 경계가 형성된다.
• 첫 20 ps 이내에만 관측되는 UED 차이도에서의 비대칭 강도 분포는 Γ-Z 방향으로 비균일한 격자 비틀림에 기인하며, 이는 이방성 응력의 존재를 시사한다.
• 300 K에서는 도메인 형성과 응력 해방이 억제되며, 이는 상전이와 진동 비선형성과 연관된 강한 온도 의존성임을 시사한다.
• 이러한 발견들은 초고속 광학 자극이 비평형 격자 구조—특히 일시적 도메인—을 생성할 수 있으며, 이는 격자 진동 산란을 강화하고 열전도도를 감소시켜 열전 재료의 최적화를 위한 새로운 길을 제시한다.