[論文レビュー] Photoinduced anisotropic lattice dynamic response and domain formation in thermoelectric SnSe

Wei Wang, Lijun Wu+14 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2021

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 47被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、MeV超高速電子回折（UED）とモンテカルロ動的シミュレーション、および第一原理計算を組み合わせることで、熱電材料SnSeにおける光誘起異方的格子歪みを解明した。光子誘起の軟らかく非調和的な横光学（TO）Agモード（ブリユアンゾーン中心に位置）が、c軸方向の原子変位を引き起こし、これが層間せん断歪みを誘発し、b-c面内に一時的領域形成を引き起こす。この現象により、フォノン散乱が増強され、熱伝導率が顕著に低下する。

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.

研究の動機と目的

• 熱電的SnSeにおける強いフォノン-フォノン散乱の微視的メカニズムを特定すること。
• 超高速光励起が熱伝導率の低下を引き起こす一時的格子歪みを誘発するメカニズムを理解すること。
• 非調和的格子ダイナミクスとフォノン散乱の増強に寄与する一時的領域形成の関係を解明すること。
• 非平衡格子ダイナミクスを解明するための、MeV-UED、動的回折シミュレーション、および第一原理計算を統合する手法を確立すること。

提案手法

• 単結晶SnSeにおける格子ダイナミクスをプローブするため、350 fs未満の時間分解能を持つMeV超高速電子回折（UED）を用いる。
• 原子変位および領域形成に起因する強度変化をモデル化するため、モンテカルロベースの動的回折シミュレーションを採用する。
• 軟らかなフォノンモードを同定するため、有限変位法を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）およびフォノン分散計算を実施する。
• 時間分解Braggピーク強度の変化および非対称的拡散散乱パターンを分析することで、長時間スケールの格子歪みを分離する。
• 複数ショットのUEDパターンをシミュレートし、ひずみ効果を抽出するために、ランダムに変位された領域端を持つスーパーセルモデルを用いる。
• 原子変位および熱振動（デバイ・ワラー要因）の関数としての回折強度変化を定量的分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光励起SnSeで観察された長時間スケールの緩和時間定数（約18.3 ps）を引き起こす格子歪みは何か？
• RQ2 c軸方向の原子変位が、b-c面内における層間せん断歪みおよび領域形成にどのように寄与するか？
• RQ3 Brillouinピーク周辺のUED差分マップにおける非対称的強度分布の原因は何か？
• RQ4 300 Kでは同様の励起条件にもかかわらず、なぜ一時的領域形成が抑制されるのか？
• RQ5 非調和フォノンモード、特にTO Agモードが、観察された格子ダイナミクスおよび熱伝導率の低減をどのように駆動するのか？

主な発見

• SnSeのPnma相におけるブリユアンゾーン中心に位置する、軟らかく非調和的なTO Agフォノンモードが、超高速光パルスによって強く励起され、緩和時間定数は約18.3 ± 3.1 psである。
• 主にc軸方向の原子変位が、層間せん断歪みを誘発し、c方向の相関長が短縮され、面内における領域核生成が引き起こされる。
• 90 Kで観察された一時的領域形成は約20 ps持続し、Agフォノンモードに起因する競合するひずみ効果によって領域界面が形成される。
• 最初の20 ps以内にのみ観察されるUED差分マップにおける非対称的強度分布は、Γ-Z方向に非一様な格子歪みが存在することに起因し、異方的ひずみを示している。
• 300 Kでは領域形成およびひずみ解放が抑制されるため、相転移およびフォノン非調和性と関連した強い温度依存性が示唆される。
• 本研究の結果は、超高速光励起が非平衡格子構造（具体的には一時的領域）を生成できることを示しており、フォノン散乱の増強と熱伝導率の低減に寄与する。これは、熱電材料の最適化に新たな道を拓くものである。