Influence of higher-order electron-phonon interaction on the electron-related lattice thermal properties of two-dimensional Dirac crystals
Notice bibliographique
Résumé
Understanding the numerous crucial properties of Dirac crystals, such as their thermal conductivity, necessitates the use of models that consider the interaction between Dirac electrons and persistent acoustic phonons in which the oscillation frequency $\ensuremath{\omega}$ depends on the phonon wave vector $q$ and is therefore dispersive. It is commonly assumed that the exceptionally high thermal conductivity of two-dimensional (2D) Dirac crystals is due to the near ideality of their phonon quantum gasses with undesired limitations originating from phenomena such as electron-phonon ($e$-ph) interactions. Electrons transferred to Dirac crystals from metal nanoparticles through doping have been shown to affect and limit the thermal conductivity of Dirac crystals due to $e$-ph interactions at distances up to several microns from the nanoparticle. Notably, the $e$-ph thermal conductivity is directly linked to the phonon scattering rate, demonstrating a proportional relationship. Customarily, when calculating the phonon scattering rate, it is common to overlook phonons with short-dispersive wavelengths since in metals $q$ is significantly smaller than the Fermi surface dimensions. However, this approach proves insufficient for analyzing 2D Dirac crystals. Furthermore, the in-plane phonon scattering rate is calculated up to the first order of magnitude consisting of two electrons and one phonon, i.e., three-particle interaction. In these calculations, only processes involving the decay of an electron and phonon, leading to the creation of a new electron (EP-E*), are considered. However, processes that involve the decay of an electron and the creation of a new electron and phonon (E-E*P*) are not taken into consideration. In this paper, we present an accurate expression for the phonon scattering rate and the $e$-ph thermal conductivity in 2D Dirac crystals for in-plane phonons considering phonons with short-dispersive wavelengths. We further demonstrate that even at room temperature, when calculating the phonon scattering rate and $e$-ph thermal conductivity, in the case of first-order $e$-ph interactions, the E-E*P* process assumes significance. In the end, we show the importance of incorporating second-order $e$-ph interactions, particularly the (EP-E*P*) interaction involving the decay of an electron and phonon and the creation of a new pair for in-plane phonons, when determining the phonon scattering rate and $e$-ph thermal conductivity at high temperatures and low Fermi energies. This four-particle interaction process proves significant in accurately characterizing these properties.
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Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
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