[论文解读] Thermal conductivity of perovskite KTaO3 and PbTiO3 from first principles

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

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用 5

一句话总结

本研究通过第一性原理计算解释了PbTiO3的热导率显著低于KTaO3的原因，归因于A位与B位铁电性驱动的声子色散关系差异。关键发现是，PbTiO3中由A位驱动的铁电性导致出现平坦的低频光学声子，其三声子散射相空间较大，引发强烈的非谐散射，从而抑制热输运，尽管其接近铁电不稳定性并非主导因素。

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.

研究动机与目标

• 理解像PbTiO3和PZT这样的铁电钙钛矿材料中出现超低热导率的起源，该现象限制了高功率换能器的性能。
• 比较A位驱动（PbTiO3）与B位驱动（KTaO3）钙钛矿材料中的热导率机制。
• 确定热导率降低的主导因素是接近铁电相变还是声子色散特性。
• 提出在不牺牲压电性能的前提下提升电活性钙钛矿材料热导率的设计原则。

提出的方法

• 采用线性化Boltzmann-Peierls输运方程结合非谐三声子散射，计算晶格热导率。
• 通过ShengBTE软件包求解立方钙钛矿结构中的声子输运。
• 使用实验测得和完全弛豫的晶格参数，评估热导率对结构的敏感性。
• 分析声子色散关系、态密度和Grüneissen参数，以探究非谐性与模态软化现象。
• 在不同晶格体积下，比较PbTiO3与KTaO3的三声子散射相空间（W±）。
• 研究KTaO3中体积膨胀对声子模式和热导率的影响，以评估其接近铁电不稳定性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何PbTiO3的热导率显著低于KTaO3，尽管两者均为钙钛矿结构？
• RQ2 PbTiO3中低热导率的主要原因是否是接近铁电相变，还是其内在的声子色散特征？
• RQ3 A位驱动与B位驱动的铁电机制在声子散射与热输运方面有何不同影响？
• RQ4 能否在不降低压电响应的前提下提升钙钛矿铁电体的热导率？
• RQ5 B位阳离子位移与氧键合之间的关联在决定声子色散和热导率方面起什么作用？

主要发现

• 计算得到的PbTiO3热导率远低于KTaO3，与实验数据一致：300 K时PbTiO3的κ ≈ 2 W/mK，而KTaO3的κ ≈ 15 W/mK。
• PbTiO3中低热导率的主要原因是存在低频、弱色散的光学声子，其源于Pb的非中心位移，形成巨大的三声子散射相空间。
• 相比之下，KTaO3由于B位（Ta）阳离子的相干位移，表现出更具色散性的声子模式，导致散射减少，热导率更高。
• KTaO3因晶格膨胀而接近铁电不稳定性，虽使散射相空间略有增加，但并未显著降低热导率，表明其并非主导因素。
• PbTiO3极性模态的Grüneissen参数为负值，表明在压力下发生软化，与铁电性被抑制及非谐性增强一致。
• 本研究建议，增强A位与B位位移之间的耦合，可在保持压电功能的同时提升热导率。