福建物构所庄巍&吴天敏Nano Energy : 自旋轨道相互作用与声子非谐性的耦合对SnSe热电性能的影响

abc940504 5年前 (2019-05-20) 6387浏览

【引言】

自旋轨道耦合(SOC)作为一种相对论效应，是固体材料中的基本相互作用之一，在许多重要现象中发挥着重要作用，如旋转塞贝克效应、拓扑绝缘、自旋霍尔效应以及超导性等。另一方面，很大程度上尚不能确定SOC对声子(负责固体材料中声音和热传递的基本粒子)性质的影响。此外，关于SOC是否也会影响声子的非谐性特性(如弛豫时间)仍然存在疑问。声子与金属硫化物中复杂环境的耦合是热电材料中的研究热点。提高热电效率的一个主要策略是通过纳米结构或声子调控来降低晶格热导率，即声子传输效率的测量。为了充分利用该策略，需要深入理解声子与环境中的电子、轨道和自旋自由度之间的相互作用。另一方面，SOC对声子传输的影响以及因此的晶格热导率一直受到较少关注，并且通常被认为是可忽略不计的。

【成果简介】

近日，中科院福建物构所庄巍研究员、吴天敏博士(共同通讯作者)等通过第一性原理计算和玻尔兹曼输运方程研究了具有高能量转换效率的SnSe热电材料中的声子传输，并在Nano Energy上发表了题为“Coupling of spin-orbit interaction with phonon anharmonicity leads to significant impact on thermoelectricity in SnSe”的研究论文。作者发现自旋轨道耦合极大地增强了其晶格热导率(高达~60 %)，源于自旋轨道耦合对声子非谐性的影响，而不是谐波声子特性。自旋轨道耦合减少了由Se原子的p轨道形成的共振键合网络的离域，增强了层间Sn-Se键并因此削弱了声子非谐性。该发现为设计可调谐自旋轨道系统以更好地控制热电以及其他声子传输相关的材料功能提供了重要参考。

【图文简介】
图1 SOC诱导SnSe晶体结构变形对晶格热导的影响

a) 有无SOC效应相互作用的沿a-，b-和c-轴的晶格热导率随温度的变化；
b) 对应于SnSe的Pnma相结构的Sn配位多面体，Se和Sn原子分别为黄色和蓝色；
c) 室温下在有无SOC效应情况下获得的每个声子分支的晶格热导率之间的差异，应用每个声子分支的中值频率以进行更好的比较；
d) 有无自旋-轨道相互作用的谐波力常数张量中的对角分量(F11，F22，F33)的幅度分布。

图2 SOC对谐波力常数和相关特性的影响

a) 沿布里渊区高对称点的声子色散曲线，颜色条显示SOC引起的频率偏差；
b) 有无SOC效应的累积晶格热导率随室温下沿a-、b-和c-轴的最大声子平均自由程的变化，通过沿每个方向的晶格热导率κ进行归一化；
c) Grüneisen参数随第一布里渊区内每个声子分支频率的变化；
d) 考虑到自旋-轨道相互作用，总和非谐散射率(NSO-SO，红线)与晶格热导率变化(绿线)之间的表观相关性，还说明了在室温下用(浅黄色)和没有(青色)SOC效应的非谐散射率，每个声子分支的中值频率用作横坐标值以便更好地比较。

图3 SOC对非谐振力常数和声子弛豫时间的影响

a) 非谐性IFCs分量沿原子位移(a, a, a)、(b, b, b)和(c, c, c)的归一化比率分布((Ψ(SO) - Ψ(NSO))/Ψ(NSO))，其中Ψ(SO)和Ψ(NSO)分别表示有无自旋轨道相互作用的立方原子间力常数；
b) 沿每个方向(a, b, c)的晶格热导率，通过将三次体的立方力常数(一次一种)替换为没有自旋-轨道耦合的三次体来计算，紫色和绿色虚线表示沿每个方向有无自旋-轨道耦合效应的晶格热导率。

图4 SOC对电子结构的影响

a) 有无SOC效应的轨道投影电子密度及其差异(Δ(DOSSO-DOSNSO))；
b) 根据单位晶胞中有无自旋-轨道耦合效应(等值面为0.00015e/Å3)的结构第一性原理计算的电荷密度差的等值面。

【小结】

综上所述，作者首次证明了SOC可以对诸如SnSe材料中的声子非谐性产生相当大的影响，即对晶格热导率产生影响，从而对热电性能产生显著影响。此外，作者的计算结果表明在材料中(通过调整SOC)调控声子传输和热电可产生潜在新自由度。具有可调谐自旋轨道系统的系统如BiTl(S1-δSeδ)2(其中自旋轨道强度可通过改变硫/硒比率来调控)可用于实验观察和测量自旋轨道的影响 声子传输上的耦合(用非弹性中子散射等实验工具)。作为另一个例子，可以通过施加外部电场来破坏界面反转对称性来调制诸如LaAlO3/SrTiO3异质结构的系统中的自旋-轨道相互作用的大小，也可能导致晶格热导率的变化。

文献链接：Coupling of spin-orbit interaction with phonon anharmonicity leads to significant impact on thermoelectricity in SnSe (Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.04.010)

本文由材料人编辑部abc940504【肖杰】编译整理。

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