The phonon thermal conductivity and mean-free-path (MFP) spectrum of high-temperature phase SnSe (β-SnSe) are studied using the Boltzmann transport equation and ab initio approaches. The particle picture for phonon transport in β-SnSe is revisited, and the imaginary phonon frequencies caused by the ground-state within conventional density-functional theory are resolved. We show that between 800 and 950 K, the in-plane and cross-plane thermal conductivity has an average decrease of 38% and 19%, respectively, when four-phonon scatterings are considered. This large suppression of phonon transport stems mainly from the strong redistribution scattering process. With both the phonon and electron MFP spectra revealed, a characteristic length of 10 nm is suggested to reduce the in-plane and cross-plane thermal conductivity by 18% and 52%, respectively, via nanostructure engineering without sacrificing the power factor.

1.
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
,
M. Y.
Tang
,
R. G.
Yang
,
H.
Lee
,
D. Z.
Wang
,
Z. F.
Ren
,
J. P.
Fleurial
, and
P.
Gogna
,
Adv. Mater.
19
,
1043
(
2007
).
2.
G. J.
Snyder
and
E. S.
Toberer
,
Nat. Mater.
7
,
105
(
2008
).
3.
J.
He
and
T. M.
Tritt
,
Science
357
,
eaak99997
(
2017
).
4.
Y.
Pei
,
X.
Shi
,
A.
LaLonde
,
H.
Wang
,
L.
Chen
, and
G. J.
Snyder
,
Nature
473
,
66
(
2011
).
5.
M.
Zebarjadi
,
G.
Joshi
,
G.
Zhu
,
B.
Yu
,
A.
Minnich
,
Y.
Lan
,
X.
Wang
,
M.
Dresselhaus
,
Z.
Ren
, and
G.
Chen
,
Nano Lett.
11
,
2225
(
2011
).
6.
K.
Biswas
,
J.
He
,
I. D.
Blum
,
C.-I.
Wu
,
T. P.
Hogan
,
D. N.
Seidman
,
V. P.
Dravid
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Nature
489
,
414
(
2012
).
7.
B.
Poudel
,
Q.
Hao
,
Y.
Ma
,
Y.
Lan
,
A.
Minnich
,
B.
Yu
,
X.
Yan
,
D.
Wang
,
A.
Muto
,
D.
Vashaee
,
X.
Chen
,
J.
Liu
,
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
, and
Z.
Ren
,
Science
320
,
634
(
2008
).
8.
T.-H.
Liu
,
J.
Zhou
,
M.
Li
,
Z.
Ding
,
Q.
Song
,
B.
Liao
,
L.
Fu
, and
G.
Chen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
115
,
879
(
2018
).
9.
L.-D.
Zhao
,
S.-H.
Lo
,
Y.
Zhang
,
H.
Sun
,
G.
Tan
,
C.
Uher
,
C.
Wolverton
,
V. P.
Dravid
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Nature
508
,
373
(
2014
).
10.
T.
Duong
,
V. Q.
Nguyen
,
G.
Duvjir
,
V. T.
Duong
,
S.
Kwon
,
J. Y.
Song
,
J. K.
Lee
,
J. E.
Lee
,
S.
Park
,
T.
Min
,
J.
Lee
,
J.
Kim
, and
S.
Cho
,
Nat. Commun.
7
,
13713
(
2016
).
11.
L.-D.
Zhao
,
G.
Tan
,
S.
Hao
,
J.
He
,
Y.
Pei
,
H.
Chi
,
H.
Wang
,
S.
Gong
,
H.
Xu
,
V. P.
Dravid
,
C.
Uher
,
G. J.
Snyder
,
C.
Wolverton
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Science
351
,
141
(
2016
).
12.
C.
Chang
,
M.
Wu
,
D.
He
,
Y.
Pei
,
C.-F.
Wu
,
X.
Wu
,
H.
Yu
,
F.
Zhu
,
K.
Wang
,
Y.
Chen
,
L.
Huang
,
J.-F.
Li
,
J.
He
, and
L.-D.
Zhao
,
Science
360
,
778
(
2018
).
13.
K.
Peng
,
X.
Lu
,
H.
Zhan
,
S.
Hui
,
X.
Tang
,
G.
Wang
,
J.
Dai
,
C.
Uher
,
G.
Wang
, and
X.
Zhou
,
Energy Environ. Sci.
9
,
454
(
2016
).
14.
Y.
Xiao
,
C.
Chang
,
Y.
Pei
,
D.
Wu
,
K.
Peng
,
X.
Zhou
,
S.
Gong
,
J.
He
,
Y.
Zhang
,
Z.
Zeng
, and
L.-D.
Zhao
,
Phys. Rev. B
94
,
125203
(
2016
).
15.
C. W.
Li
,
J.
Hong
,
A. F.
May
,
D.
Bansal
,
S.
Chi
,
T.
Hong
,
G.
Ehlers
, and
O.
Delaire
,
Nat. Phys.
11
,
1063
(
2015
).
16.
H. G.
von Schnering
and
H.
Wiedemeier
,
Z. Kristallogr.
156
,
143
(
1981
).
17.
A.
Dewandre
,
O.
Hellman
,
S.
Bhattacharya
,
A. H.
Romero
,
G. K.
Madsen
, and
M. J.
Verstraete
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
276601
(
2016
).
18.
T.
Chatterji
,
U. D.
Wdowik
,
G.
Jagło
,
S.
Rols
, and
F. R.
Wagner
,
Phys. Lett. A
382
,
1937
(
2018
).
19.
J. M.
Skelton
,
L. A.
Burton
,
S. C.
Parker
,
A.
Walsh
,
C.-E.
Kim
,
A.
Soon
,
J.
Buckeridge
,
A. A.
Sokol
,
C. R.
Catlow
,
A.
Togo
, and
I.
Tanaka
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
075502
(
2016
).
20.
C. H.
Lee
,
M. H.
Ma
,
W. H.
Li
,
P. C.
Wei
,
Y. Y.
Chen
,
Y.
Zhao
, and
J. W.
Lynn
,
Mater. Today Phys.
11
,
100171
(
2019
).
21.
J.
Carrete
,
N.
Mingo
, and
S.
Curtarolo
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
101907
(
2014
).
22.
U.
Aseginolaza
,
R.
Bianco
,
L.
Monacelli
,
L.
Paulatto
,
M.
Calandra
,
F.
Mauri
,
A.
Bergara
, and
I.
Errea
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
075901
(
2019
).
23.
T.
Feng
and
X.
Ruan
,
Phys. Rev. B
93
,
045202
(
2016
).
24.
T.
Feng
,
L.
Lindsay
, and
X.
Ruan
,
Phys. Rev. B
96
,
161201(R)
(
2017
).
25.
Y.
Ouyang
,
C.
Yu
,
J.
He
,
P.
Jiang
,
W.
Ren
, and
J.
Chen
,
Phys. Rev. B
105
,
115202
(
2022
).
26.
C.
Yu
,
Y.
Hu
,
J.
He
,
S.
Lu
,
D.
Li
, and
J.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
132201
(
2022
).
27.
T.
Feng
and
X.
Ruan
,
Phys. Rev. B
97
,
045202
(
2018
).
28.
T.
Chattopadhyay
,
J.
Pannetier
, and
H. G.
von Schnering
,
J. Phys. Chem. Solids
47
,
879
(
1986
).
29.
W.
Zhou
,
Y.
Dai
,
T.-H.
Liu
, and
R.
Yang
,
Mater. Today Phys.
22
,
100592
(
2022
).
30.
O.
Hellman
,
I. A.
Abrikosov
, and
S. I.
Simak
,
Phys. Rev. B
84
,
180301
(
2011
).
31.
O.
Hellman
and
I. A.
Abrikosov
,
Phys. Rev. B
88
,
144301
(
2013
).
32.
N.
Shulumba
,
O.
Hellman
, and
A. J.
Minnich
,
Phys. Rev. B
95
,
14302
(
2017
).
33.
P. E.
Blochl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
34.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
35.
W.
Li
,
J.
Carrete
,
N. A.
Katcho
, and
N.
Mingo
,
Comput. Phys. Commun.
185
,
1747
(
2014
).
36.
Z.
Han
,
X.
Yang
,
W.
Li
,
T.
Feng
, and
X.
Ruan
,
Comput. Phys. Commun.
270
,
108179
(
2022
).
37.
P.
Giannozzi
,
S.
Baroni
,
N.
Bonini
,
M.
Calandra
,
R.
Car
,
C.
Cavazzoni
,
D.
Ceresoli
,
G. L.
Chiarotti
,
M.
Cococcioni
,
I.
Dabo
,
A.
Dal Corso
,
S.
Fabris
,
G.
Fratesi
,
S.
de Gironcoli
,
R.
Gebauer
,
U.
Gerstmann
,
C.
Gougoussis
,
A.
Kokalj
,
M.
Lazzeri
,
L.
Martin-Samos
,
N.
Marzari
,
F.
Mauri
,
R.
Mazzarello
,
S.
Paolini
,
A.
Pasquarello
,
L.
Paulatto
,
C.
Sbraccia
,
S.
Scandolo
,
G.
Sclauzero
,
A. P.
Seitsonen
,
A.
Smogunov
,
P.
Umari
, and
R. M.
Wentzcovitch
,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
395502
(
2009
).
38.
J.
Zhou
,
T.-H.
Liu
,
Q.
Song
,
Q.
Xu
,
Z.
Ding
,
B.
Liao
, and
G.
Chen
,
Mater. Cloud Arch.
2020
,
106
.
39.
S.
Li
,
Z.
Tong
, and
H.
Bao
,
J. Appl. Phys.
126
,
025111
(
2019
).
40.
41.
J.
Sun
,
D.
Guo
,
H.
Zhang
,
Z.
Xu
,
C.
Li
,
K.
Li
,
B.
Shao
,
D.
Chen
, and
Y.
Ma
,
J. Alloy Compd.
906
,
164299
(
2022
).
42.
N. K.
Ravichandran
and
D.
Broido
,
Phys. Rev. B
98
,
085205
(
2018
).
43.
Y.
Luo
,
X.
Yang
,
T.
Feng
,
J.
Wang
, and
X.
Ruan
,
Nat. Commun.
11
,
2554
(
2020
).
44.
G.
Caldarelli
,
M.
Simoncelli
,
N.
Marzari
,
F.
Mauri
, and
L.
Benfatto
,
Phys. Rev. B
106
,
024312
(
2022
).
45.
R. E.
Peierls
,
Quantum Theory of Solids
(
Oxford University Press
,
Oxford
,
1955
).
46.
L.
Lindsay
,
D. A.
Broido
, and
N.
Mingo
,
Phys. Rev. B
82
,
115427
(
2010
).
47.
D. T.
Morelli
,
J. P.
Heremans
, and
G. A.
Slack
,
Phys. Rev. B
66
,
195304
(
2002
).
48.
S. R.
Popuri
,
M.
Pollet
,
R.
Decourt
,
M. L.
Viciu
, and
J. W. G.
Bos
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
253903
(
2017
).
49.
Y.
Xia
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
073901
(
2018
).
50.
X.
Yang
,
J.
Tiwari
, and
T.
Feng
,
Mater. Today Phys.
24
,
100689
(
2022
).
51.
P.-C.
Wei
,
S.
Bhattacharya
,
Y.-F.
Liu
,
F.
Liu
,
J.
He
,
Y.-H.
Tung
,
C.-C.
Yang
,
C.-R.
Hsing
,
D.-L.
Nguyen
,
C.-M.
Wei
,
M.-Y.
Chou
,
Y.-C.
Lai
,
T.-L.
Hung
,
S.-Y.
Guan
,
C.-S.
Chang
,
H.-J.
Wu
,
C.-H.
Lee
,
W.-H.
Li
,
R. P.
Hermann
,
Y.-Y.
Chen
, and
A. M.
Rao
,
ACS Omega
4
,
5442
(
2019
).
52.
M.
Jin
,
H.
Shao
,
H.
Hu
,
D.
Li
,
H.
Shen
,
J.
Xu
, and
J.
Jiang
,
J. Alloy Compd.
712
,
857
(
2017
).
53.
M.
Jin
,
Z.
Tang
,
J.
Jiang
,
R.
Zhang
,
L.
Zhou
,
S.
Zhao
,
Y.
Chen
,
Y.
Chen
,
X.
Wang
, and
R.
Li
,
Mater. Res. Bull.
126
,
110819
(
2020
).
54.
H.
Liu
,
X.
Qian
,
H.
Bao
,
C. Y.
Zhao
, and
X.
Gu
,
J. Phys.: Condens. Matter
33
,
405401
(
2021
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.