論文の概要: Atomistic origin of low thermal conductivity in quaternary chalcogenides Cu(Cd, Zn)$_2$InTe$_4$

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.09040v1
• Date: Fri, 10 Oct 2025 06:20:26 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-14 00:38:48.206511
• Title: Atomistic origin of low thermal conductivity in quaternary chalcogenides Cu(Cd, Zn)$_2$InTe$_4$
• Title（参考訳）: 四元系カルコゲナイドCu(Cd, Zn)$_2$InTe$_4$における低熱伝導率の原子起源
• Authors: Nirmalya Jana, Amit Agarwal, Koushik Pal,
• Abstract要約: CuCd$Te$InTe$_4$のような第四級カルコゲナイド半導体は、低い$mathcalK$を示すように実験的に示されている。 その結果,フェルミ準位以下の反結合状態はフォノン不調和性を高め,熱伝導性フォノンモードの強い散乱を引き起こすことがわかった。 本研究は, カルコゲナイドの低分子量カルアルK$の原子起源を明らかにし, 低熱伝導性半導体の設計の指針となる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.9466725388644579
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Crystalline semiconductors with intrinsically low lattice thermal conductivity ($\mathcal{K}$) are vital for device applications such as barrier coatings and thermoelectrics. Quaternary chalcogenide semiconductors such as CuCd$_2$InTe$_4$ and CuZn$_2$InTe$_4$ are experimentally shown to exhibit low $\mathcal{K}$, yet its microscopic origin remains poorly understood. Here, we analyse their thermal transport mechanisms using a unified first-principles framework that captures both the Peierls (particle-like propagation, $\mathcal{K}_P$) and coherence (wave-like tunneling, $\mathcal{K}_C$) mechanisms of phonon transport. We show that extended antibonding states below the Fermi level lead to enhanced phonon anharmonicity and strong scattering of heat-carrying phonon modes, suppressing $\mathcal{K}$ in these chalcogenides. We show that $\mathcal{K}_P$ dominates the total thermal conductivity, while $\mathcal{K}_C$ remains negligible even under strong anharmonicity of the phonon modes. The heavier Cd ions in CuCd$_2$InTe$_4$ induce greater acoustic-optical phonon overlap and scattering compared to CuZn$_2$InTe$_4$, further lowering thermal conductivity of the former. Additionally, grain boundary scattering in realistic samples contributes to further suppression of thermal transport. Our findings establish the atomistic origins of low $\mathcal{K}$ in quaternary chalcogenides and offer guiding principles for designing low-thermal-conductivity semiconductors.
• Abstract（参考訳）: 内在的に低格子熱伝導率(\mathcal{K}$)の結晶半導体は、バリアコーティングや熱電体などのデバイス応用に不可欠である。 CuCd$_2$InTe$_4$およびCuZn$_2$InTe$_4$のような第四次カルコゲナイド半導体は、低い$\mathcal{K}$を示すことが実験的に示されているが、その微視的起源はよく分かっていない。 ここでは,Pierls(粒子状伝播,$\mathcal{K}_P$)とコヒーレンス(波状トンネル,$\mathcal{K}_C$)の両方を捕捉する統合された第1原理フレームワークを用いて,それらの熱輸送機構を解析する。 フェルミ準位以下の抗結合状態は、これらのカルコゲナイドにおいて、フォノン不調和性を高め、熱輸送するフォノンモードの強い散乱を招き、$\mathcal{K}$を抑えることを示した。 フォノンモードの強い不調和の下でも、$\mathcal{K}_P$が全熱伝導率を支配しているのに対し、$\mathcal{K}_C$は無視可能であることを示す。 CuCd$_2$InTe$_4$の重いCdイオンはCuZn$_2$InTe$_4$よりも音響-光学フォノンの重なり合いと散乱を誘導し、さらに前者の熱伝導率を低下させる。 さらに、現実的な試料中の粒界散乱は、熱輸送のさらなる抑制に寄与する。 本研究は,4元カルコゲナイド中の低い$\mathcal{K}$の原子起源を明らかにし,低熱伝導性半導体の設計の指針となる。

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