近日，分析测试中心高级工程师公祥南指导物理学院三年级本科生李珏以第一作者在T2级自然指数期刊《Journal of Physical Chemistry Letters》（物理化学快报）上发表了题为“Investigation of Temperature-Dependent Phonon Anharmonicity and Thermal Transport in SnS Single Crystals” 的高水平拉曼光谱研究论文(J. Phys. Chem. Lett. 14, 7346−7353(2023))。J. Phys. Chem. Lett. 通过传播物理化学，化学物理和材料科学方面的重大科学进展，成为该学科领域的重要期刊之一。
李珏同学是物理学院2020级本科生，在大二时以项目负责人参加分析测试中心国家级大学生创新训练项目，高级工程师公祥南为其指导老师。在为期一年的项目周期内，围绕变温拉曼技术展开课题研究，获国创优秀结题。
该研究利用温度相关拉曼光谱量化了硫化锡（SnS）晶体在 77 K-475 K 范围内的声子非简谐性，其中三声子过程在该温度区域占主导地位。此外，整合四声子过程和晶格热膨胀将更好地描述随温度变化的拉曼实验现象。理论计算和实验晶格热导率之间的良好一致性证实了三声子散射过程是这一温度范围内的主要散射机制。此外，通过密度泛函理论计算，结合原子热位移和电荷密度分析，映证了SnS本征低导热率是由强晶格非简谐性造成的，而强晶格非简谐性是因 Sn_5s2孤对电子导致的不对称化学键的存在。这些结果为研究其他低维材料的热特性提供了重要启示。
研究亮点:
1.结合拉曼光谱和热导率的计算结果，验证了三声子散射过程是SnS热传输的原因，与现有体系不同的是，光学声子对该体系的热输运有较大贡献（∼67%）。
2.通过分析原子热位移和电荷密度发现，SnS 本征低热导率是由强晶格非简谐性引起的，而强晶格非简谐性是因 Sn_5s2 孤对电子导致的不对称化学键的存在。
研究结论:
该研究通过改进的布里奇曼法合成了高质量、大尺寸SnS 单晶，并利用先进的变温拉曼技术来量化声子在 77 K-475 K 范围内的非简谐性。通过对各拉曼振动模式的频率和线宽随温度变化的细致分析，提取出三次项和四次项的非简谐系数。SnS 的计算热导率与实验热导率之间的一致性表明，三声子散射可视为主要的热输运机制。为更好地解释导致SnS 低热导率的内部原因，以及随温度变化的热输运机制，我们计算了其声子权重相空间和格林艾森参数随温度变化的热位移和电荷密度。SnS 中的强晶格非简谐性增加了声子散射，从而降低了声子寿命。这些发现很好地解释了单晶体的优异热性能，并有助于更好地理解其它热电材料的热传输特性。
图文：
图一： SnS单晶的变温拉曼光谱分析。(a)SnS的拉曼光谱特征峰及对应的振动模式示意图，(b)原位变温拉曼光谱伪彩图，(c)A3g模式的峰位及峰宽随温度变化关系图，(d)热膨胀、三声子、四声子散射过程共同拟合A3g模式的峰位随温度关系，(e)三声子、四声子散射过程共同拟合A3g模式的峰宽随温度关系，以及(f)A3g模式的声子寿命随温度变化关系图。
图二：SnS单晶的理论计算部分。 (a)声子权重相空间图，(b)格林艾森参数，(c)原子热位移以及(d)未成键的局域电子密度。
图三：SnS单晶的热输运特性。 (a)晶格热导率的实验与计算值，(b)300 K时，累积的κL与声子平均自由程之间的关系，(c)沿b轴的光学支和声学支随温度对κL的贡献以及(d)300 K时，SnS的非简谐散射几率。
文章原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.3c01600
