近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所計算物理與量子材料研究部在新型Heusler熱電材料探索方面取得新進(jìn)展，設(shè)計出具有類似魔方結(jié)構(gòu)的Slater-Pauling (S-P) Heusler材料，闡釋了該體系在獨特的類魔方結(jié)構(gòu)中展現(xiàn)出半導(dǎo)體熱電性能的原因，為熱電材料的進(jìn)一步開發(fā)提供了候選材料。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Physical Review B (Phys. Rev. B, 2023, 108, 195203)上。

熱電材料能夠直接將溫差轉(zhuǎn)換為電能，具有半導(dǎo)體行為的Heusler合金【半Heusler（HH）化合物表示為XYZ，全Heusler（FH）化合物表示為XY2Z】長期以來被認(rèn)為是具有前途的高性能熱電材料之一。近期，一些非化學(xué)計量比的Heusler化合物（XY1+nZ，0<n<1）被預(yù)測具有半導(dǎo)體特性。這些化合物打破了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體價電子計數(shù)規(guī)則，被稱為S-P半導(dǎo)體，并被作為候選熱電材料。然而，這些S-P半導(dǎo)體中的成鍵行為以及它們的晶體結(jié)構(gòu)與熱電性能之間的關(guān)系仍不清楚。

為此，研究人員從Ti-Fe-Sb體系和M-Co-Sn體系（M = Ti, Zr, Hf）出發(fā)，通過團(tuán)簇展開方法預(yù)測了熱力學(xué)穩(wěn)定的S-P Heusler半導(dǎo)體材料：TiFe1.5Sb和MCo1.33Sn。從晶體結(jié)構(gòu)來看，除了HH和FH的子晶格外，Y原子在晶格中的無序占據(jù)也誘發(fā)了缺陷HH和缺陷FH子結(jié)構(gòu)的形成（DH 和DF）。這種獨特的堆垛結(jié)構(gòu)類似于二階或三階魔方結(jié)構(gòu)，不僅對晶格中的電子重新分布、形成帶隙起著重要作用，而且降低了聲子德拜溫度，增強(qiáng)了非簡諧振動、抑制晶格熱導(dǎo)率，使熱導(dǎo)率低于傳統(tǒng)的HH和FH化合物。電學(xué)和熱學(xué)性能分析表明，p型ZrCo1.33Sn在1000 K時的ZT值為0.54。該工作研究了S-P Heusler體系材料成鍵行為的物理機(jī)制，有助于理解S-P Heusler材料的半導(dǎo)體行為，為優(yōu)化熱電性能提供新途徑。

上述研究工作是與曲阜師范大學(xué)合作完成，固體所博士生題琸洋為論文第一作者。所有計算在中科院超算中心合肥分中心完成。

文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.195203

圖1.  (a) 和 (b) 理論上預(yù)測的 TiFe1.5Sb 和 MCo1.33Sn (M = Ti, Zr, Hf) 相變后的晶體結(jié)構(gòu)；(c) 和 (d) 子晶格的排列方式；(e) 和 (f) 半Heusler (HH)、全Heusler (FH)、缺陷 HH (DH) 和缺陷 FH (DF) 子結(jié)構(gòu)中的原子排列；(g) 沿z軸和 (h) 沿y軸觀察的 Y 原子（Fe 或 Co）的排列。

圖2. (a) 和 (b) TiFe1.5Sb的原子投影態(tài)密度 (DOS) 和晶體軌道哈密頓群 (COHP)；(c)和(d) TiFe1.5 Sb的分子軌道(MO)示意圖，其中黑色虛線箭頭表示從全Heusler (FH) 子結(jié)構(gòu)向半Heusler (HH) 子結(jié)構(gòu)的電子轉(zhuǎn)移過程。