近期，中科院合肥研究院固體所張永勝研究員課題組在研究三種Pyrite型IIB-VIA2（ZnS2，CdS2和CdSe2）過渡金屬二硫化物的熱電性能方面取得新進展。該工作通過計算分析了三種不同Pyrite型二元硫化物的熱學(xué)和電學(xué)輸運性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)它們均具有良好的熱電性能；并分析了與原子成鍵、晶格振動和電子結(jié)構(gòu)分布間的熱電趨勢。相關(guān)結(jié)果以“Chemical trends in the high thermoelectric performance of the pyrite-type dichalcogenides ZnS2 CdS2 and CdSe2”為題發(fā)表在 Physical Review B（2022，DOI: 10.1103/PhysRevB.105.245203）上。

  探索高性能熱電材料的物理機制是尋找、優(yōu)化和設(shè)計良好熱電材料的基礎(chǔ)。前期張永勝研究員課題組已通過高通量計算發(fā)現(xiàn)了多種Pyrite型IIB-VIA2化合物是潛在高性能熱電材料。在本研究中，該課題組利用理論計算方法進一步解釋了其中的物理機制并探索了其中可能存在的熱電趨勢，驗證了三種Pyrite型IIB-VIA2化合物的良好熱電性能并對比分析了它們的聲子和電子性質(zhì)。

  在熱學(xué)輸運方面，他們發(fā)現(xiàn)這三種Pyrite型化合物均具有低的晶格熱導(dǎo)率（室溫下，可以低至2 W/mK以下）。這是由于它們含有成鍵弱的具有類rattling效應(yīng)的金屬原子和成鍵強的非金屬二聚體，這些金屬原子的存在導(dǎo)致了化合物具有大量軟的聲子模式，此外所有原子沿垂直于非金屬二聚體的振動導(dǎo)致了強的非簡諧效應(yīng)。在軟的聲子模式和強的非簡諧效應(yīng)的共同作用下，這些Pyrite型化合物均表現(xiàn)出了低的晶格熱導(dǎo)率。進一步對比研究發(fā)現(xiàn)，體系中更重的原子質(zhì)量、更大的原子位移參數(shù)和更長的原子間鍵長，有利于化合物具有更軟的聲子模式和更強的非簡諧效應(yīng)，進而導(dǎo)致化合物具有更低的晶格熱導(dǎo)率。

  在電學(xué)輸運方面，他們發(fā)現(xiàn)這三種Pyrite型化合物都具有高的功率因子（室溫下，均可以高于5.0 mW/mK2）。這來源于體系復(fù)雜的費米面結(jié)構(gòu)使它們在價帶頂和導(dǎo)帶底同時具有大的態(tài)密度有效質(zhì)量和小的電導(dǎo)率有效質(zhì)量，保證了它們的大的Seebeck系數(shù)和高的電導(dǎo)率。結(jié)合它們低的晶格熱導(dǎo)率和高的功率因子，這三種Pyrite型化合物均可以表現(xiàn)出良好的熱電性能（室溫下，熱電優(yōu)值（ZT值）均可以大于0.5）。

  該工作詳細論證了三種Pyrite型IIB-VIA2（ZnS2，CdS2和CdSe2）過渡金屬二硫化物的良好熱電性能，并分析總結(jié)了其中的物理機制和熱電趨勢，可以為未來實驗和理論上尋找和優(yōu)化含有類似類rattling效應(yīng)的金屬原子和強非金屬二聚體的高性能熱電材料的研究提供參考。

  上述工作得到了國家自然科學(xué)基金和博士后面上基金的資助。

  文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.105.245203

圖1. Pyrite型化合物的晶體結(jié)構(gòu)（a）和相應(yīng)的布里淵區(qū)（b）。

圖2. 三種Pyrite型化合物中不同原子貢獻的聲子態(tài)密度（PDOS）（a），強的非金屬二聚體上的局域電荷分布情況（b）和具有類rattling效應(yīng)的金屬原子的原子位移參數(shù)（ADP）在不同溫度下的變化情況（c）。

圖3. 室溫下，三種Pyrite型化合物在不同載流子濃度下的電學(xué)輸運性質(zhì)（PF）（a）和熱電優(yōu)值（ZT）（b）。