Linking the thermal-conductivity plateau to the Cp/T3 hump in amorphous and complex disordered solids
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0043121Ключові слова:
multi-channel heat transfer, thermal conductivity, low-temperature heat capacity, two-level systemsАнотація
Досліджено взаємозв’язок між низькотемпературним плато теплопровідності та максимумом (Cp/T3) в зведеній теплоємності на прикладі розупорядкованих твердих тіл, включаючи полімери, скло та складні кристалічні матеріали. Використовуючи єдину структуру, яка розділяє частинкоподібне поширення (внесок Пайєрлса) та хвилеподібні когерентні внески, проанализовано експериментальні дані, щоб виділити характерні температури, пов'язані з кожним внеском. Отримані результати показують, що температура максимуму в Cp/T3, Tmax , систематично корелює з початком плато теплопровідності та переходом між частинкоподібним та когерентнодомінуючим транспортом. Нормування частинкоподібного внеску виявляє універсальну поведінку в хімічно та структурно різноманітних системах. Ці результати надають чіткі докази прямого зв'язку між плато теплопровідності та аномаліями низькотемпературної теплоємності, встановлюючи Tmax як надійний характеристичний параметр для прогнозування теплового транспорту в розупорядкованих твердих тілах.
Посилання
1. P. W. Anderson, B. I. Halperin, and C. M. Varma, “Anomalous low-temperature thermal properties of glasses and spin glasses,” Philos. Mag. 25, 1 (1972). https://doi.org/10.1080/14786437208229210
2. W. A. Phillips, “Tunneling states in amorphous solids,” J. Low Temp. Phys. 7, 351 (1972). https://doi.org/10.1007/BF00660072
3. V. G. Karpov, M. I. Klinger, and P. N. Ignatiev, “Atomic tunneling states and low-temperature anomalies of thermal properties in amorphous materials,” Solid State Commun. 44, 333 (1982). https://doi.org/10.1016/0038-1098(82)90866-3
4. U. Buchenau, Y. M. Galperin, V. L. Gurevich, D. A. Parshin, M. A. Ramos, and H. R. Schober, “Interaction of soft modes and sound waves in glasses,” Phys. Rev. B 46, 2798 (1992). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.46.2798
5. M. A. Ramos and U. Buchenau, “Low-temperature thermal conductivity of glasses within the soft-potential model,” Phys. Rev. B 55, 5749 (1997). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.55.5749
6. P. B. Allen and J. L. Feldman, “Thermal conductivity of glasses: Theory and application to amorphous Si,” Phys. Rev. Lett. 62, 645 (1989). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.62.645
7. P. B. Allen and J. L. Feldman, “Thermal conductivity of disordered harmonic solids,” Phys. Rev. B 48, 12581 (1993). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.12581
8. P. B. Allen, J. L. Feldman, J. Fabian, and F. Wooten, “Diffusons, locons and propagons: Character of atomic vibrations in amorphous Si,” Philos. Mag. B 79, 1715 (1999). https://doi.org/10.1080/13642819908223054
9. J. L. Feldman, M. D. Kluge, P. B. Allen, and F. Wooten, “Thermal conductivity and localization in glasses: Numerical study of a model of amorphous silicon,” Phys. Rev. B 48, 12589 (1993). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.12589
10. A. Tanguy, “Vibrations and heat transfer in glasses: The role played by disorder,” Comptes Rendus. Physique 24(S1), 73 (2023). https://doi.org/10.5802/crphys.162
11. P. Desmarchelier, A. Carré, K. Termentzidis, and A. Tanguy, “Ballistic heat transport in nanocomposite: The role of the shape and interconnection of nanoinclusions,” Nanomaterials 11, 1982 (2021). https://doi.org/10.3390/nano11081982
12. A. Tlili, V. Giordano, Y. Beltukov, P. Desmarchelier, S. Merabia, and A. Tanguy, “Enhancement and anticipation of the ioffe–regel crossover in amorphous/nanocrystalline composites,” Nanoscale 11, 21502 (2019). https://doi.org/10.1039/C9NR03952J
13. A. I. Krivchikov and A. Jeżowski, “Thermal conductivity of glasses and disordered crystals,” in Low-Temperature Thermal and Vibrational Properties of Disordered Solid: A Half-Century of Universal Anomalies of Glasses (World Scientific (Europe), 2022), p. 69.
14. Z. E. Nataj, Y. Xu, D. Wright, J. O. Brown, J. Garg, X. Chen, F. Kargar, and A. A. Balandin, “Cryogenic characteristics of graphene composites-evolution from thermal conductors to thermal insulators,” Nat. Commun. 14, 3190 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38508-3
15. C. I. Nicholls and H. M. Rosenberg, “The excitation spectrum of epoxy resins; neutron diffraction, specific heat and thermal conductivity at low temperatures,” J. Phys. C 17, 1165 (1984). https://doi.org/10.1088/0022-3719/17/7/011
16. S. Kelham and H. M. Rosenberg, “The thermal conductivity and specific heat of epoxy-resin from 0.1−80 K,” J. Phys. C 14, 1737 (1981). https://doi.org/10.1088/0022-3719/14/12/007
17. S. Nakamura, T. Fujii, S. Matsukawa, M. Katagiri, and H. Fukuyama, “Specific heat, thermal conductivity, and magnetic susceptibility of cyanate ester resins–an alternative to commonly used epoxy resins,” Cryogenics 95, 76 (2018). https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2018.09.001
18. C. Talón, Q. W. Zou, M. A. Ramos, R. Villar, and S. Vieira, “Low-temperature specific heat and thermal conductivity of glycerol,” Phys. Rev. B 65, 012203 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.012203
19. E. Bonjour, R. Calemczuk, R. Lagnier, and B. Salce, “Low temperature thermal properties of cyclohexanol: A glassy crystal system,” J. Phys. Colloq. 42, C6–63 (1981). https://doi.org/10.1051/jphyscol:1981619
20. V. Tkáč, P. Baloh, A. I. Krivchikov, D. Szewchyk, R. Tarasenko, V. Stadnyk, S. Vorobiov, M. Orendáč, A. Orendáčová, J. Holubová, E. Černošková, Z. Černošek, A. Feher, and E. Čižmár, Ultralow lattice thermal conductivity in the polymer-like binary (ZnO)x(P2O5)1–x glasses (to be published).
21. D. P. Jones, N. Thomas, and W. A. Phillips, “The low-temperature thermal properties of amorphous arsenic,” Philos. Mag. B 38, 271 (1978). https://doi.org/10.1080/13642817808245329
22. K. Suekuni, M. A. Avila, K. Umeo, and T. Takabatake, “Cage-size control of guest vibration and thermal conductivity in Sr8Ga16Si30−xGex,” Phys. Rev. B 75, 195210 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.195210
23. M. Tachibana, T. Kolodiazhnyi, and E. Takayama-Muromachi, “Thermal conductivity of perovskite ferroelectrics,” Appl. Phys. Lett. 93, 092902 (2008). https://doi.org/10.1063/1.2978072
24. H. E. Zimmer, J. Engert, P. Frach, I. Henning, D. Chat, R. Oszolinsk, and E. Hegenbarth, “Glasslike behaviour of polycrystalline Pb(Sc0.5Nb0.5)O3 at low temperatures,” Ferroelectr. Lett. Sect. 7, 113 (1987). https://doi.org/10.1080/07315178708200533
25. J. Suchanicz, A. Jeżowski, and R. Poprawski, “Low-temperature thermal and dielectric properties of Na0.5Bi0.5TiO3,” Phys. Status Solidi A 169, 209 (1998). https://doi.org/10.1002/(SICI)1521-396X(199810)169:2<209::AID-PSSA209>3.0.CO;2-R
26. J. Suchanicz and M. Drulis, “Low temperature specific heat of Na0.5Bi0.5TiO3 single crystals,” Phys. Status Solidi A 164, 683 (1997). https://doi.org/10.1002/1521-396X(199712)164:2<683::AID-PSSA683>3.0.CO;2-7
27. K. Suekuni, H. I. Tanaka, F. S. Kim, K. Umeo, and T. Takabatake, “Glasslike versus crystalline thermophysical properties of the Cu–S based minerals: Tetrahedrite and colusite,” J. Phys. Soc. Jpn. 84, 103601 (2015). https://doi.org/10.7566/JPSJ.84.103601
28. P. S. Thorup, R. B. Stubkjær, K. K. Huynh, P. Ventrapati, E. S. Vosegaard, A. B. Borup, and B. B. Iversen, “Structural origins of ultralow glass-like thermal conductivity in AgGaGe3Se8,” Sci. Adv. 11, eadv5865 (2025). https://doi.org/10.1126/sciadv.adv5865
29. E. Wigner, “On the quantum correction for thermodynamic equilibrium,” Phys. Rev. 40, 749 (1932). https://doi.org/10.1103/PhysRev.40.749
30. M. Simoncelli, N. Marzari, and F. Mauri, “Unified theory of thermal transport in crystals and glasses,” Nat. Phys. 15, 809 (2019). https://doi.org/10.1038/s41567-019-0520-x
31. M. Simoncelli, N. Marzari, and F. Mauri, “Wigner formulation of thermal transport in solids,” Phys. Rev. X 12, 041011 (2022).https://doi.org/10.1103/PhysRevX.12.041011
32. M. Simoncelli, F. Mauri, and N. Marzari, “Thermal conductivity of glasses: First-principles theory and applications,” npj Comput. Mater. 9, 106 (2023). https://doi.org/10.1038/s41524-023-01033-4
33. M. Simoncelli, D. Fournier, M. Marangolo, E. Balan, K. Béneut, B. Baptiste, B. Doisneau, N. Marzari, and F. Mauri, “Temperature-invariant heat conductivity from compensating crystalline and glassy transport: from the Steinbach meteorite to furnace bricks,” arXiv:2405.13161 [cond-mat.mtrl-sci] (2024).
34. A. Krivchikov, O. Andersson, O. Korolyuk, and O. Kryvchikov, “Thermal conductivity of solid triphenyl phosphite,” Molecules 27, 8399 (2022). https://doi.org/10.3390/molecules27238399
35. A. I. Krivchikov, Y. V. Horbatenko, O. A. Korolyuk, O. O. Romantsova, O. O. Kryvchikov, D. Szewczyk, and A. Jeżowski, “Exponential approximation of the coherence contribution to the thermal conductivity of complex clathrate-type crystals,” Materialia 32, 101944 (2023). https://doi.org/10.1016/j.mtla.2023.101944
36. A. I. Krivchikov and O. A. Korolyuk, “Empirical universal approach to describing the thermal conductivity of amorphous polymers: Effects of pressure, radiation and the meyer–neldel rule,” Low Temp. Phys. 50, 328 (2024) [Fiz. Nyzk. Temp. 50, 356 (2024)]. https://doi.org/10.1063/10.0025299
37. O. A. Korolyuk, V. V. Sagan, A. I. Krivchikov, V. A. Konstantinov, and Y. V. Horbatenko, “Multi-channel heat transfer in molecular crystals and their solutions,” Low Temp. Phys. 51, 1048 (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 51, 1167 (2025)]. https://doi.org/10.1063/10.0038988
38. R. Berman, Thermal Conduction in Solids (Clarendon Press, Oxford, 1976).
39. D. Szewczyk, A. I. Krivchikov, M. S. Barabashko, A. V. Dolbin, N. A. Vinnikov, R. Basnukaeva, G. Chajewski, and A. Jeżowski, “Universal behavior of low-temperature heat capacity of acrylonitrile-butadiene-styrene thermoplastic polymer and its composite with graphene oxide,” Low Temp. Phys. 49, 593 (2023) [Fiz. Nyzk. Temp. 49, 649 (2023)]. https://doi.org/10.1063/10.0017821