[论文解读] Anharmonic lattice dynamics study of phonon transport in layered and molecular-crystal indium iodides

Takuma Shiga, Yoshikazu Mizuguchi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2026

Thermal properties of materials被引用 0

一句话总结

论文使用第一性原理的非谐晶格动力学来量化 InI 与低压 InI3 的声子输运，发现极低的晶格热导率（<1 W/mK），并在组成和高压相之间的声子传输中，粒子型与波动型传输扮演不同角色。

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.

研究动机与目标

• 从粒子型与波动型视角，研究层状 InI 与分子晶样的 InI3 的声子输运机制。
• 使用三-四声子散射的非谐晶格动力学方法，量化晶格热导率与声子寿命。
• 评估高压相和 InI3 中堆叠无序对热输运的影响。
• 探讨 In2I6 层内在平面振动特性对高压相热输运的支配作用。

提出的方法

• 对 InI 和低压 InI3 进行 optB88-vdW 修正的 DFT 优化。
• 用 Phonopy 计算谐和 IFC，并包含 LO-TO 分裂的非解析校正。
• 在单模近似的 Peierls–Boltzmann 传输方程中求解，考虑三-四声子散射与声子-同位素散射。
• 通过基于采样的方法估算四声子贡献以降低计算成本。
• 应用第四阶与第三阶 IFC，第四阶采用最近邻耦合距离，InI 的三阶半径为 5.5 Å，InI3 为 4.3 Å。
• 使用带带间隙耦合形式评估波-like 对 κ 的贡献并与 κPB 进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 InI 与低压 InI3 在广泛温度范围内的晶格热导率是多少？
• RQ2 粒子型 (κPB) 与波动型 (κC) 声子传输对 InI 与 InI3 的贡献有何比较，它们如何随组成和温度变化？
• RQ3 高压 InI3 在不同有序堆叠模型下对声子输运与热力学性质有何影响？
• RQ4 高压 InI3 的面内热传导是否由 In2I6 层振动主导，单层行为与体相/重堆叠结构相比如何？

主要发现

• InI 与低压 InI3 的总热导率在宽温度范围内始终远低于 1 W m−1 K−1。
• 对于 InI，κC（波动型）约为 κPB（粒子型）的 10%，并不主导温度趋势的偏离，τ 通常超过 Ioffe–Regel 极限。
• 低压 InI3 显示强烈的非谐性，包含四声子散射后寿命与 κ 相比仅三声子结果降低约五倍；κC 在约 270 K 以上变得可与 κPB 相当。
• 高压 InI3 模型（R̄3、P̄31c、P312、P̄31m）在能量上相近（每 f.u. 差异 <30 meV），并产生相近的面内 κtot 与谱特征，表明堆叠序列对面内热传输影响较小。
• 一个孤立的 In2I6 单层在 300 K 时的面内 κtot 约为 0.6 W m−1 K−1，四声子散射显著影响 τ，凸显层内固有振动属性的重要性超过堆叠本身。
• 总体而言，层内的堆叠约束和薄层间弱耦合可以稳定声子模并影响这些复杂层状/分子晶体系统的热输运。