[논문 리뷰] Thermal conductivity of perovskite KTaO3 and PbTiO3 from first principles

Yuhao Fu, David J. Singh|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 11.

Ferroelectric and Piezoelectric Materials인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 PbTiO3가 KTaO3보다 현저히 낮은 열전도도를 보이는 이유를 처음 원리 계산을 통해 설명하며, A-사이트 및 B-사이트에서 유도되는 반도체성의 원인으로서의 볼록한 진동 분포의 차이를 근거로 한다. 주요 발견은 PbTiO3에서 A-사이트 유도 반도체성이 평탄하고 저주파수의 옵티컬 포논을 만들어내며, 이는 강한 비선형 산란과 열전도도 감소를 유도하는 큰 3포논 산란 위상공간을 형성한다는 것이다. 이는 반도체 불안정성에 가까운 상태가 주요 원인은 아니지만, 이와 유사한 조건이 존재하지는 않음에도 불구하고 성립한다.

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.

연구 동기 및 목표

• PbTiO3 및 PZT와 같은 반도체 퍼보스카이트에서 초저온 열전도도의 기원을 이해하기 위해.
• A-사이트 유도(예: PbTiO3)와 B-사이트 유도(예: KTaO3) 퍼보스카이트 간의 열전도도 메커니즘을 비교하기 위해.
• 저열전도도의 주요 원인이 반도체 상전이에 가까운 상태인지, 아니면 포논 분포 특성인지 확인하기 위해.
• 피에조전기 성능을 훼손시키지 않고 전기활성 퍼보스카이트의 열전도도를 향상시키기 위한 설계 원칙을 규명하기 위해.

제안 방법

• 비선형 3포논 산란을 고려한 선형화된 볼츠만-파이어르스 운반 방정식을 사용한 격자 열전도도의 초기 원리 계산.
• 정방형 퍼보스카이트 구조에서의 포논 운반을 해결하기 위해 ShengBTE 패키지를 구현.
• 실험적 및 완전히 구속된 격자 매개변수를 사용하여 열전도도의 구조적 민감도 평가.
• 비선형성과 모드 연화를 탐색하기 위해 포논 분산 관계, 밀도 상태 및 그루네이센 계수 분석.
• 다른 격자 부피에서 PbTiO3와 KTaO3 간의 3포논 산란 위상공간(W±) 비교.
• 반도체 불안정성에 가까운 상태를 평가하기 위해 KTaO3에서 부피 팽창이 포논 모드와 열전도도에 미치는 영향 조사.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PbTiO3와 KTaO3가 모두 퍼보스카이트임에도 불구하고, 왜 PbTiO3는 KTaO3보다 현저히 낮은 열전도도를 보이는가?
• RQ2 PbTiO3에서 저열전도도가 주로 반도체 상전이에 가까운 상태 때문인지, 아니면 내재된 포논 분포 특성 때문인지?
• RQ3 A-사이트 유도와 B-사이트 유도 반도체 메커니즘이 포논 산란과 열전도도에 미치는 영향은 어떻게 다른가?
• RQ4 피에조전기 반응을 떨어뜨리지 않고도 퍼보스카이트 반도체에서 열전도도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 B-사이트 양이온 이동과 산소 결합 간의 상관관계가 포논 분산과 열전도도에 미치는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 계산된 PbTiO3의 열전도도는 KTaO3보다 훨씬 낮으며, 실험 데이터(300 K에서 κ ≈ 2 W/mK)와 일치한다. KTaO3의 경우 약 15 W/mK이다.
• PbTiO3에서 저열전도도의 주요 원인은 Pb의 중심에서 이격된 상태와 관련된 저주파수, 약간의 분산이 있는 옵티컬 포논이 존재하며, 이는 큰 3포논 산란 위상공간을 형성하기 때문이다.
• 반대로, KTaO3는 Ta의 공명적인 B-사이트 이동으로 인해 더 뚜렷한 분산 포논 모드를 보이며, 산란이 감소하고 열전도도가 높아진다.
• KTaO3에서 격자 팽창에 의해 반도체 불안정성에 가까워지게 되면 산란 위상공간은 약간 증가하지만 열전도도는 크게 감소하지 않아, 이것이 주요 원인은 아님을 시사한다.
• PbTiO3의 극성 모드에 대한 그루네이센 계수는 음수이며, 이는 외부 압력에 의해 연화되며 반도체성이 억제되고 비선형성이 증가함을 의미한다.
• 이 연구는 A-사이트와 B-사이트 이동 간의 상호작용을 강화하면 열전도도를 향상시키면서도 피에조전기 기능을 유지할 수 있을 것이라 제안한다.