【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】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(jìn)展，相關(guān)研究為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)，也為理解熱電性能物理機(jī)制提供了思路。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Journal of Physical Chemistry C上。
熱電材料可以將溫差轉(zhuǎn)化為電能，在緩解能源危機(jī)方面有著重要的應(yīng)用價(jià)值，材料的熱電轉(zhuǎn)化效率通常用熱電優(yōu)值ZT來(lái)表征。HH材料由于具有優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和礦藏豐富等優(yōu)勢(shì)，受到熱電材料界的廣泛關(guān)注。目前研究較多的是p型NbFeSb和n型ZrNiSn，但是它們的高熱導(dǎo)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(dāng)務(wù)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(jiǎn)單的模型近似，因此，采用較為的方法來(lái)搜索HH母體材料和探索其背后的物理機(jī)制有重要意義。
為此，張永勝研究員課題組采用形變勢(shì)理論高通量搜索了95種HH化合物。考慮了帶隙、礦藏、無(wú)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(xué)性能(功率因子)優(yōu)于目前廣泛研究的NbFeSb 和ZrNiSn材料。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)其優(yōu)良的電學(xué)性能是由于高能帶簡(jiǎn)并度貢獻(xiàn)Seebeck系數(shù)，低形變勢(shì)、輕帶和高群速度協(xié)同貢獻(xiàn)其高電導(dǎo)率。此外，通過(guò)熱學(xué)性質(zhì)計(jì)算發(fā)現(xiàn)兩種化合物(LiZnSb和CaZnGe)由于其強(qiáng)非簡(jiǎn)諧晶格振動(dòng)導(dǎo)致較低的晶格熱導(dǎo)率 (在300 K下小于4 W m-1 K-1)。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)HH化合物的熱電優(yōu)值主要是由電學(xué)性質(zhì)起主導(dǎo)作用，VCoGe、NbCoSi和TiNiGe因其高功率因子和相對(duì)較低的熱導(dǎo)率，使它們成為良好的熱電材料候選。
該工作不僅為實(shí)驗(yàn)提供了良好的候選體系，同時(shí)為理解熱電性能的物理機(jī)制提供思路。
以上研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(xué)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(jì)算的HH候選材料的ZT值。紅線和紫線分別代表理論計(jì)算p型NbFeSb和n型ZrNiSn的ZT值。
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