[论文解读] Effect of intrinsic defects on the thermal conductivity of PbTe from classical molecular dynamics simulations

Javier F. Troncoso, Pablo Aguado‐Puente+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2018

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 66被引用 19

一句话总结

本研究开发了一种经典参数化的Buckingham势，以准确模拟PbTe在宽温度范围内的晶格热导率。通过分子动力学模拟，表明本征缺陷（如空位和晶界）可将热导率降低至约0.5 W/mK，达到原始块体材料值的四分之一，且仅在缺陷浓度较高或晶粒尺寸达到纳米级时效应才显著。

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.

研究动机与目标

• 开发一种经典参数化的原子间势，以准确再现PbTe的温度依赖性晶格热导率。
• 研究本征缺陷（空位、间隙原子和晶界）对PbTe中热输运的影响。
• 阐明实验测得的PbTe热导率是否反映本征块体值，还是受缺陷影响。
• 评估缺陷浓度和晶粒尺寸在实际热电工作条件下对热导率降低的作用。

提出的方法

• 通过定制的库仑-Buckingham势，参数化以再现PbTe在宽温度范围（300–1000 K）内的声子色散关系和热导率。
• 利用新势函数进行经典分子动力学（MD）模拟，通过Green-Kubo公式计算热导率。
• 通过在超胞中引入空位和间隙原子掺杂来模拟缺陷，晶界则通过具有不同取向差角的双晶结构建模。
• 采用非平衡分子动力学方法计算晶界处的热阻，通过在界面处施加不同角度的热流。
• 在300 K和500 K下进行模拟，以评估缺陷效应的温度依赖性。
• 将结果与实验数据及先前的MD研究进行比较，以验证势函数并评估本征缺陷的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 本征点缺陷（如空位）在多大程度上降低PbTe的晶格热导率？
• RQ2 晶界取向差如何影响多晶PbTe中的热阻和整体热导率？
• RQ3 实验报道的PbTe热导率是否代表本征块体值，还是显著受缺陷影响？
• RQ4 能否准确参数化经典原子间势，以高保真度再现PbTe的结构和热输运性质？

主要发现

• 新参数化的库仑-Buckingham势在300–1000 K范围内准确再现了PbTe的温度依赖性晶格热导率，解决了先前经典势函数的过高估计问题。
• 空位和晶界各自使PbTe的晶格热导率降低至约0.5 W/mK，相当于原始块体值的四分之一。
• 晶界对热阻的影响强烈依赖于角度，最大热阻（约10⁻⁸ m²K/W）出现在约20°–45°的取向差角下，尤其在沿面内轴倾斜时最为显著。
• 在低缺陷浓度下（如10⁻⁵至10⁻³），对热导率的影响可忽略不计，表明大多数实验测量结果反映的是本征块体值。
• 研究证实，本征缺陷仅在极端条件下（如高缺陷密度或纳米级晶粒尺寸）才会显著改变热导率，而这类条件在块体多晶样品中较为罕见。
• 尽管真实样品中存在缺陷，但块体热导率仍可在实验中测得，验证了在热电材料研究中使用纯净PbTe作为参考的合理性。