동린화물 CuP2의 살창동력학 및 살창수송성질에 대한 제1원리적연구

 2023.11.7.

경애하는 김정은동지께서는 다음과 같이 말씀하시였다.

《기초과학이 든든해야 나라의 과학기술이 공고한 토대우에서 끊임없이 발전할수 있습니다. 수학, 물리학, 화학, 생물학과 같은 기초과학부문에서 과학기술발전의 원리적, 방법론적기초를 다져나가면서 세계적인 연구성과들을 내놓아야 합니다.》

우리는 제1원리밀도범함수리론과 자체모순없는 포논리론을 적용하여 유한온도에서 동린화물 CuP2의 포논분산곡선과 포논상태밀도를 계산하고 그에 기초하여 CuP2의 살창수송성질을 연구하였다.

결정구조와 비조화살창진동
그림. CuP2의 결정구조와 비조화살창진동

그림에서는 CuP2의 결정구조와 비조화살창진동을 보여주었다.

먼저 자체모순없는 포논리론을 적용하여 동린화물 CuP2의 포논분산곡선과 포논상태밀도를 계산하였다.

T=0K에서 계산한 조화포논분산곡선을 보면 복소수고유값을 가지는 비조화포논모드가 나타나지 않는다. 이것은 동린화물 CuP2이 단사결정구조에서 동력학적으로 안정하다는것을 의미한다.

다음으로 유한온도효과를 고려하기 위한 자체모순없는 포논리론을 적용하여 포논분산곡선과 포논상태밀도를 계산하였는데 이를 통하여 CuP2의 단사정계가 유한온도에서도 동력학적으로 안정하다는것을 알수 있으며 이것은 선행한 실험과 잘 일치한다.

다음으로 T=300K에서 계산한 포논상태밀도에 따르면 Cu원자의 살창진동은 음향학적모드와 15meV이하의 낮은 에네르기를 가지는 광학적모드에서 중요한 역할을 수행하며 P원자의 살창진동은 높은 에네르기를 가지는 광학적모드에서 결정적인 역할을 수행한다는것을 알수 있다. P원자의 이러한 진동특성은 P원자의 가벼운 원자질량과 P원자들사이의 강한 공유결합에 기인된다.

다음으로 포논분산곡선과 포논상태밀도를 리용하여 동린화물 CuP2의 포논군속도, 포논수명, 등적열용량, 살창열전도도를 계산하였다. 그에 따르면 300K에서 브릴루앙구역의 G점에서 계산한 포논군속도 vg는 6 200m/s로서 선행한 실험값인 6 275m/s와 잘 일치한다. 그리고 CuP2의 포논군속도는 전통적인 열전기변환재료들인 PbTe와 SnTe에 비하여 3.5배정도 크다.

반면에 포논수명 t3rd는 전체 포논에네르기구간에서 50ps이하이며 이것은 PbTe의 포논수명에 비하여 한자리수만큼 작은 값이다. 특히 t3rd는 0~15meV의 포논에네르기구간에서 급격히 감소하는데 이것은 우에서 언급한 Cu-이량체들의 강한 살창진동에 의한것이다. 그리고 온도가 증가함에 따라 포논군속도 vg와 포논수명 t3rd의 평균값은 서서히 감소하며 그것은 살창진동에 의한 포논산란이 세지기때문이다.

온도에 따르는 살창열전도도를 포논군속도, 포논수명, 등적열용량을 리용하여 계산하였는데 대비를 위하여 조화포논분산곡선과 자체모순없는 포논리론으로 온도효과를 고려한 포논분산곡선을 리용하였다.

온도효과를 고려하여 계산한 살창열전도도는 선행한 실험과 잘 일치하지만 조화포논분산곡선을 리용하여 계산한 살창열전도도는 실험값에 비하여 과소평가된다. 300K에서 CuP2의 살창열전도도는 3.57Wm-1K-1로서 전통적인 열전기변환재료인 PbTe의 살창열전도도 6.96Wm-1K-1에 비하여 훨씬 작다.

이 연구결과는 영국왕실화학협회에서 출판하는 잡지 《New Journal of Chemistry》에 《Metal phosphide CuP2 as a promising thermoelectric material: an insight from a first-principles study》 (https://doi.org/10.1039/d1nj03624f)의 제목으로 발표되였다.