固體所在高性能熱電材料的研究方面取得新進展

　　【儀表網 儀表研發】近期，固體所張永勝研究員課題組在高通量篩選高性能half-Heusler(HH)合金熱電材料的研究方面取得新進展，相關研究為后續的實驗提供了理論指導，也為理解熱電性能物理機制提供了思路。相關研究結果發表在Journal of Physical Chemistry C上。
 

　　熱電材料可以將溫差轉化為電能，在緩解能源危機方面有著重要的應用價值，材料的熱電轉化效率通常用熱電優值ZT來表征。HH材料由于具有優良的電學性質、力學性能、熱穩定性和礦藏豐富等優勢，受到熱電材料界的廣泛關注。目前研究較多的是p型NbFeSb和n型ZrNiSn，但是它們的高熱導率阻礙了ZT值的提高。因此，尋找具有高熱電性能的母體HH材料就成為了當務之急。然而，目前仍有大量的HH體系的熱電性能未被研究，且已有的高通量工作普遍采用了較簡單的模型近似，因此，采用較為的方法來搜索HH母體材料和探索其背后的物理機制有重要意義。
 

　　為此，張永勝研究員課題組采用形變勢理論高通量搜索了95種HH化合物。考慮了帶隙、礦藏、無毒性等因素，終篩選到了9種p型和6種n型HH候選體系，其電學性能(功率因子)優于目前廣泛研究的NbFeSb 和ZrNiSn材料。通過研究發現其優良的電學性能是由于高能帶簡并度貢獻Seebeck系數，低形變勢、輕帶和高群速度協同貢獻其高電導率。此外，通過熱學性質計算發現兩種化合物(LiZnSb和CaZnGe)由于其強非簡諧晶格振動導致較低的晶格熱導率 (在300 K下小于4 W m-1 K-1)。通過計算發現HH化合物的熱電優值主要是由電學性質起主導作用，VCoGe、NbCoSi和TiNiGe因其高功率因子和相對較低的熱導率，使它們成為良好的熱電材料候選。
 

　　該工作不僅為實驗提供了良好的候選體系，同時為理解熱電性能的物理機制提供思路。
 

　　以上研究得到了國家自然科學基金項目，中科院超算中心合肥分中心和宿州新材超算中心的資助。
 

　　圖1. 高通量搜索比NbFeSb (ZrNiSn) 電學性能更好的p (n) 型母體HH候選材料的流程圖 。

 

　　圖2. 900 K 下理論計算的HH候選材料的ZT值。紅線和紫線分別代表理論計算p型NbFeSb和n型ZrNiSn的ZT值。