提升有序Double Half-Heusler热电性能研究取得新进展

（文/郭淑萍）

近期，我研究部张永胜研究员课题组在提升有序Double Half-Heusler (DHH) 热电性能研究方面取得新进展，相关研究不但为后续的实验提供了新的研究体系，也为提升HH的热电性能提供了新思路。相关研究结果发表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A 2020,8, 23590-23598)上。

具有半导体特性的18电子HH 热电材料已被广泛研究，但是这类体系的数量较少。而具有17和19电子的HH体系相混合可以形成新型18电子的DHH，这就扩大了HH研究体系。一般情况下，两相混合在高温下会形成固溶体，而在低温下会形成有序结构。实验上通常在高温下合成DHH，所形成的混合固溶体虽然有利于散射声子、降低热导率，但同时也会损失载流子迁移率。相反，两相混合形成的有序结构却能在维持高载流子权重迁移率的同时降低热导率(由于混合原子的质量失配等)。因此，寻找稳定的有序DHH结构是一个提升热电性能的思路。

为此，张永胜研究员课题组从三种18电子的Co基材料（TiFeSb, ZrCoBi和VCoGe）出发，通过用Fe和Ni替换Co模拟了17电子和19电子HH体系的混合(TiFe_1？xNi_xSb, ZrFe_1？xNi_xBi 和 VFe_1？xNi_xGe)。理论设计出了具有 18 电子的 新型DHH 材料，从中预测出了两个稳定的有序结构 (Ti₄Fe₂Ni₂Sb₄和V₄Fe₂Ni₂Ge₄)。通过与高温无序固溶体系相比，他们发现有序结构的权重载流子迁移率较高，因此其电学性能比相应固溶体的好。此外通过热导率计算发现，其同时具有较低的热导率。综合电学和热学性能分析，有序Ti₄Fe₂Ni₂Sb₄和V₄Fe₂Ni₂Ge₄体系在高温下具有良好的热电性能：p 型 (n 型) 热电优值分别为1.75 (0.64) 和1.33 (0.95)。相关工作表明，形成有序结构是维持HH高电学性能的重要途径，同时为优化和设计高效 Half-Heusler 化合物提了供新思路。 

以上研究得到了国家自然科学基金项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1039/D0TA08364J

图1. DFT+CE预测的(a)TiFe_1-xNi_xSb、(b)ZrFe_1-xNi_xBi 和(c)VFe_1-xNi_xGe 体系的能量基态线。绿色叉形表示 DFT 计算的形 成能。黑色实线表示考虑相分离后的能量基态线, 红色三角代表 SQS 结构(Ti₁₆Fe₈Ni₈Sb₁₆ 和 V₁₆Fe₈Ni₈Ge₁₆)。

图2. Ti₄Fe₂Ni₂Sb₄(圆圈)和 V₄Fe₂Ni₂Ge₄(三角)的 zT 值(电子弛豫时间为10 fs,载流子浓度为 10²¹ cm^-3)随温度的变化。黑色方块为 TiFe_0.5Ni_0.5Sb 的实验值。红色和黑色分别代表 p 型和 n 型。方块是 TiFe_0.4Ni_0.6Sb 和 TiFe_0.6Ni_0.4Sb 的实验值。