University of PardubiceFaculty of Chemical Technology

University

Employees
|
Students
Česky

Publication detail

Phonon properties and unconventional heat transfer in a quasi-two-dimensional Bi2O2Se crystal

Authors: Zich Jan | Sojka Antonín | Levinský Petr | Míšek Martin | Ahn Kyo-Hoon | Navrátil Jiří | Hejtmánek Jiří | Knížek Karel | Holý Václav | Nuzhnyy Dmitry | Borodavka Fedir | Kamba Stanislav | Drašar Čestmír

Year: 2025

Type of publication: článek v odborném periodiku

Name of source: Physical Review Materials

Page from-to: 054603

Titles:

Language	Name	Abstract	Keywords
cze	Fononové vlastnosti a nekonvenční přenos tepla v kvazi-dvourozměrném krystalu Bi2O2Se	Bi2O2Se patří do skupiny kvazi-2D polovodičů, které mohou v budoucnu nahradit křemík v rychlých a energeticky úsporných elektronických aplikacích. Nicméně korelace mezi krystalovou/pásovou strukturou a ostatními fyzikálními vlastnostmi dosud není zcela pochopena: pohyblivost nosičů se totiž s rostoucí koncentrací nosičů zvětšuje neintuitivním způsobem; pozorovaná teplotní závislost rezistivity typu T² zůstává bez vysvětlení. Navíc byla v literatuře uvedena velmi vysoká relativní permitivita ve směru kolmo na vrstvy, přibližně 150. Pro takto vysokou hodnotu permitivity dosud chybí uspokojivé vysvětlení. Provedli jsme experimenty infračervené (IR) reflektivity a Ramanova rozptylu na velkém, dokonale vyrostlém monokrystalu s definovanou mozaicitou, koncentrací nosičů a pohyblivostí. Bylo pozorováno pět z osmi fononů povolených teorií faktorových grup a jejich symetrie byly určeny. IR spektra ukazují, že permitivita měřená v tetragonální rovině dosahuje hodnoty až εᵣ ≈ 500, přičemž tato vysoká hodnota je důsledkem silného polárního fononu s nízkou frekvencí 34 cm⁻¹ (~1 THz). Takto neobvykle vysoká permitivita umožňuje účinné stínění nábojových defektů, což vede k pozorované vysoké pohyblivosti elektronů při nízkých teplotách. Zároveň umožňuje efektivní modulované dotování, čímž poskytuje platformu pro vysoce výkonnou 2D elektroniku. Výpočty metodou DFT naznačují existenci akustického fononu s velmi nízkou frekvencí ~14 cm⁻¹ (~0,4 THz). Oba tyto nízkofrekvenční fonony způsobují anomální hustotu stavů fononů, která se odráží v nekonvenční teplotní závislosti tepelné kapacity, Cₚ ≈ T³,⁵. Pro vysvětlení neobvyklé teplotní závislosti tepelné vodivosti, κ ≈ T¹,⁵, je navržena teplotně závislá dvousložková grupová rychlost.	výpočet celkové energie
eng	Phonon properties and unconventional heat transfer in a quasi-two-dimensional Bi2O2Se crystal	Bi2O2Se belongs to a group of quasi-2D semiconductors that can replace silicon in future high-speed/lowpower electronics. However, the correlation between crystal/band structure and other physical properties still eludes understanding: carrier mobility increases non-intuitively with carrier concentration; the observed T2 temperature dependence of resistivity lacks explanation. Moreover, a very high relative out-of-plane permittivity of about 150 has been reported in the literature. A proper explanation for such a high permittivity is still lacking. We have performed infrared (IR) reflectivity and Raman scattering experiments on a large perfect single crystal with defined mosaicity, carrier concentration, and mobility. Five of the eight phonons allowed by factor group theory have been observed and their symmetries determined. The IR spectra show that the permittivity measured in the tetragonal plane is as high as epsilon r approximate to 500, and this high value is due to a strong polar phonon with a low frequency of '34 cm-1 ('1 THz). Such an unusually high permittivity allows the screening of charge defects, leading to the observation of high electron mobility at low temperatures. It also allows effective modulation doping providing a platform for high-performance 2D electronics. DFT calculations suggest the existence of a very low-frequency acoustic phonon '14 cm-1 ('0.4 THz). Both the low-frequency phonons cause anomalous phonon DOS, which is reflected in the unconventional temperature dependence of the heat capacity, Cp approximate to T3.5. The temperature-dependent, two-component group velocity is proposed to explain the unusual temperature dependence of the thermal conductivity, kappa approximate to T1.5.	Total - Energy - Calculation;