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高通量筛选高性能half-Heusler热电材料研究取得新进展

(文/郭淑萍)

近期,我室张永胜研究员课题组在高通量筛选高性能half-Heusler(HH)合金热电材料的研究方面取得新进展,相关研究为后续的实验提供了理论指导,也为理解热电性能物理机制提供了思路。相关研究结果发表在Journal of Physical Chemistry C (J. Phys. Chem. C 123, 18824-18833 (2019))上。

热电材料可以将温差转化为电能,在缓解能源危机方面有着重要的应用价值,材料的热电转化效率通常用热电优值ZT来表征。HH材料由于具有优良的电学性质、力学性能、热稳定性和矿藏丰富等优势,受到热电材料界的广泛关注。目前研究较多的是p型NbFeSb和n型ZrNiSn,但是它们的高热导率(>10 W m-1 K-1)阻碍了ZT值的提高。因此,寻找具有高热电性能的母体HH材料就成为了当务之急。然而,目前仍有大量的HH体系的热电性能未被研究,且已有的高通量工作普遍采用了较简单的模型近似,因此,采用较为精确的方法来搜索高效HH母体材料和探索其背后的物理机制有重要意义。

为此,张永胜研究员课题组采用形变势理论高通量搜索了95种HH化合物。考虑了带隙、矿藏、无毒性等因素,最终筛选到了9种p型和6种n型HH候选体系,其电学性能(功率因子)优于目前广泛研究的NbFeSb 和ZrNiSn材料。通过研究发现其优良的电学性能是由于高能带简并度贡献Seebeck系数,低形变势、轻带和高群速度协同贡献其高电导率。此外,通过热学性质计算发现两种化合物(LiZnSb和CaZnGe)由于其强非简谐晶格振动导致较低的晶格热导率 (在300 K下小于4 W m-1 K-1)。通过计算发现HH化合物的热电优值主要是由电学性质起主导作用,VCoGe、NbCoSi和TiNiGe因其高功率因子和相对较低的热导率,使它们成为良好的热电材料候选。我们的工作不仅为实验提供了良好的候选体系,同时为理解热电性能的物理机制提供思路。

以上研究得到了国家自然科学基金项目,中科院超算中心合肥分中心和宿州新材超算中心的资助。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.9b04580

 

图1. 高通量搜索比NbFeSb (ZrNiSn) 电学性能更好的p (n) 型母体HH候选材料的流程图 。

  

2. 900 K 下理论计算的HH候选材料的ZT值。红线和紫线分别代表理论计算pNbFeSbnZrNiSn的ZT值。


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