[论文解读] 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 18

一句话总结

本研究结合MeV超快电子衍射（UED）技术、蒙特卡洛动力学模拟及从头算计算，揭示了热电材料SnSe中光致各向异性晶格畸变的机制。研究发现，布里渊区中心存在一种软的、非谐的横光学（TO）Ag声子模，其驱动c轴方向的原子位移，引发层间剪切应变，从而在b-c平面诱导瞬态结构域的形成，显著增强声子散射，降低热导率。

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.

研究动机与目标

• 识别热电SnSe中强声子-声子散射的微观机制。
• 理解超快光激发如何诱导瞬态晶格畸变以降低热导率。
• 将非谐晶格动力学与瞬态结构域的形成相联系，以增强声子散射。
• 建立一种结合MeV-UED、动力学衍射模拟与从头算计算的方法，用于探测非平衡晶格动力学。

提出的方法

• 利用时间分辨率低于350 fs的MeV超快电子衍射（UED）技术，探测单晶SnSe中的晶格动力学。
• 采用基于蒙特卡洛的动态衍射模拟，建模原子位移与结构域形成引起的强度变化。
• 应用基于密度泛函理论（DFT）的从头算计算与有限位移法计算声子色散关系，识别软声子模。
• 分析时间分辨布里渊峰强度演化与非对称的漫散射图案，以分离长时标晶格畸变。
• 使用超原胞模型，对结构域角落进行随机位移，模拟多 shot UED 图案并提取应变效应。
• 对衍射强度变化进行定量分析，研究其与原子位移及热振动（德拜-沃勒因子）的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光激发SnSe中观测到的长弛豫时间尺度（约18.3 ps）是由何种晶格畸变引起的？
• RQ2 c轴方向的原子位移如何导致层间剪切应变并促进b-c平面内的结构域形成？
• RQ3 UED差分图中布里渊峰周围的非对称强度分布源于何处？
• RQ4 为何在300 K时尽管激发条件相似，瞬态结构域形成仍被抑制？
• RQ5 非谐声子模（尤其是TO Ag模）如何驱动观测到的晶格动力学与热导率抑制？

主要发现

• 在SnSe的Pnma相中，布里渊区中心存在一种软的、非谐的TO Ag声子模，被超快光脉冲强烈激发，其弛豫时间常数约为~18.3 ± 3.1 ps。
• 主要沿c轴方向的原子位移引发层间剪切应变，降低c方向的相关长度，从而触发面内结构域成核。
• 在90 K下观察到瞬态结构域的持续时间约为20 ps，其边界由Ag声子模引起的竞争应变效应形成。
• 仅在前20 ps内观测到UED差分图中布里渊峰周围的非对称强度分布，归因于Γ-Z方向非均匀的晶格畸变，表明存在各向异性应变。
• 在300 K时，结构域形成与应变释放被抑制，表明其具有强烈的温度依赖性，与相变及声子非谐性密切相关。
• 研究结果表明，超快光激发可产生非平衡晶格结构——特别是瞬态结构域——从而增强声子散射并降低热导率，为优化热电材料提供了新途径。