软声子模导致拓扑半金属 WC 与 WN 晶格热导率的巨大差异

拓扑半金属因其在拓扑量子比特和低功耗电子学中的潜在应用正引起越来越多的兴趣，这些应用与其热输运性质密切相关。本工作中，通过基于第一性原理计算求解玻尔兹曼输运方程，我们系统研究了拓扑半金属 WC 和 WN 的声子输运性质。预测的 WC (WN) 在室温和 a 与 c 方向上的晶格热导率分别为 1140.64 (7.47) $\mathrm{W m^{-1} K^{-1}}$ 和 1214.69 (5.39) $\mathrm{W m^{-1} K^{-1}}$。考虑到 WC 与 WN 相似的晶体结构，发现 WC 的热导率比 WN 高两个数量级以上，这是颇为有趣的。研究发现，与 WN 不同，大的声学-光学 (a-o) 带隙阻止了声学+声学$\rightarrow$光学 (aao) 散射，这给出了极长的声子寿命，导致 WC 中超高晶格热导率。对于 WN，缺乏 a-o 带隙是由于光学支中的软声子模，其可为 aao 散射提供更多的散射通道，产生极短的声子寿命。进一步的深入认识可从其不同的电子结构获得。与 WC 中截然不同，WN 在费米能级处的态密度 (DOS) 变得非常尖锐，这导致 WN 的不稳定性，产生软声子模。研究发现，与 WC 相比，小的剪切模量 $G$ 和 $C_{44}$ 限制了 WN 的稳定性。我们的工作为 WC 和 WN 中的声子输运提供了有价值的信息，并激励进一步的实验工作去研究其晶格热导率。