近期，中科院合肥研究院固體所計(jì)算物理與量子材料研究部張永勝研究員課題組在調(diào)控NbFeSb基Half-Heusler（HH）熱電材料性能方面取得新進(jìn)展，該研究不僅為實(shí)驗(yàn)提供新的HH研究體系，也為制備具有優(yōu)異性能的HH熱電材料提供了一種能帶工程方法。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在:

Journal of Materials Chemistry A ( J. Mater. Chem. A, 2022, DOI :https://doi.org/10.1039/D1TA09660E ) 期刊上。

  熱電材料可以利用溫差實(shí)現(xiàn)熱能與電能的直接轉(zhuǎn)換，具有18電子的HH材料因其具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和半導(dǎo)體行為成為一種被廣泛研究的高溫區(qū)熱電材料。在眾多的HH材料中，NbFeSb是一種典型的p型高性能熱電材料，傳統(tǒng)提高NbFeSb基化合物熱電性能的方法側(cè)重于降低熱導(dǎo)率。在電學(xué)性能提升方面，由于NbFeSb中費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度主要由過(guò)渡金屬的d軌道貢獻(xiàn)，因此通過(guò)能帶工程增強(qiáng)HH化合物的熱電性能并不容易。

  為此，張永勝研究員課題組通過(guò)將Fe(Nb)與其在元素周期表中的近鄰元素進(jìn)行替換（用Mn和Co替換Fe或用Zr和Mo替換Nb），形成具有17和19電子的HH混合的化合物。通過(guò)團(tuán)簇展開(kāi)方法對(duì)17和19電子HH的混合體系（NbMn1-xCoxSb和Zr1-xMoxFeSb）進(jìn)行研究，理論設(shè)計(jì)出了兩種具有18電子的新型有序HH材料：Nb4Mn2Co2Sb4和Zr2Mo2Fe4Sb4。對(duì)新型HH體系的能帶結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)17電子的NbMnSb與19電子的NbCoSb在價(jià)帶頂（L點(diǎn)）實(shí)現(xiàn)能帶匯聚，導(dǎo)致Nb4Mn2Co2Sb4具有很高的能帶簡(jiǎn)并度（NvL=16），從而使材料的Seebeck系數(shù)和功率因子大幅度的提高，且高于傳統(tǒng)的NbFeSb材料。同時(shí)，得益于復(fù)雜的聲子結(jié)構(gòu)，兩種混合體系的熱導(dǎo)率都低于NbFeSb。綜合分析電學(xué)和熱學(xué)性能，計(jì)算得到Nb4Mn2Co2Sb4在1000K時(shí)p型和n型的zT值分別高達(dá)0.72和0.62。該研究結(jié)果表明，將17電子和19電子的HH化合物混合形成18電子化合物不僅是開(kāi)發(fā)具有高熱電性能的新型HH材料的有效方法，也是實(shí)現(xiàn)高效能帶工程的有效途徑。

  上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，所有計(jì)算在中科院超算中心合肥分中心完成。

  文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D1TA09660E。

圖1. NbFeSb，Nb4Mn2Co2Sb4和Zr2Mo2Fe4Sb4的晶體結(jié)構(gòu)（a,c,e）及其電子結(jié)構(gòu)（b,d,f）。

圖2. Nb4Mn2Co2Sb4（a中紅線），Zr2Mo2Fe4Sb4（b中紅線）和NbFeSb（黑線）的zT值。三角形和圓形分別表示p型和n型的熱電性能。