近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員張永勝課題組在提升有序Double Half-Heusler（DHH）熱電性能研究中取得進(jìn)展，相關(guān)研究為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供新的研究體系，也為提升半休氏勒合金（Half-Heusler，HH）的熱電性能提供新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。

具有半導(dǎo)體特性的18電子HH熱電材料已被廣泛研究，但是這類體系數(shù)量較少。具有17和19電子的HH體系相混合可以形成新型18電子的DHH，擴(kuò)大了HH研究體系。一般情況下，兩相混合在高溫下會(huì)形成固溶體，在低溫下會(huì)形成有序結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中通常在高溫下合成DHH，所形成的混合固溶體雖然有利于散射聲子、降低熱導(dǎo)率，但同時(shí)也會(huì)損失載流子遷移率。而兩相混合形成的有序結(jié)構(gòu)卻能在維持高載流子權(quán)重遷移率的同時(shí)，降低熱導(dǎo)率（由于混合原子的質(zhì)量失配等）。因此，尋找穩(wěn)定的有序DHH結(jié)構(gòu)是一個(gè)提升熱電性能的思路。

研究團(tuán)隊(duì)從三種18電子的Co基材料（TiFeSb，ZrCoBi和VCoGe）出發(fā)，通過用Fe和Ni替換Co，模擬了17電子和19電子HH體系的混合（TiFe_1-xNi_xSb，ZrFe_1-xNi_xBi和VFe_1-xNi_xGe）。理論設(shè)計(jì)出具有18電子的新型DHH材料，從中預(yù)測出兩個(gè)穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu) （Ti₄Fe₂Ni₂Sb₄和V₄Fe₂Ni₂Ge₄）。通過與高溫?zé)o序固溶體系比較，研究人員發(fā)現(xiàn)有序結(jié)構(gòu)的權(quán)重載流子遷移率較高，因此其電學(xué)性能優(yōu)于相應(yīng)的固溶體。此外，通過熱導(dǎo)率計(jì)算發(fā)現(xiàn)，其同時(shí)具有較低的熱導(dǎo)率。綜合電學(xué)和熱學(xué)性能分析，有序Ti₄Fe₂Ni₂Sb₄和V₄Fe₂Ni₂Ge₄體系在高溫下具有良好的熱電性能：p型（n型）熱電優(yōu)值分別為1.75（0.64）和1.33（0.95）。相關(guān)研究表明，形成有序結(jié)構(gòu)是維持HH高電學(xué)性能的重要途徑，同時(shí)為優(yōu)化和設(shè)計(jì)高效Half-Heusler化合物提供新思路。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

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圖1.DFT+CE預(yù)測的（a）TiFe_1-xNi_xSb、（b）ZrFe_1-xNi_xBi和（c）VFe_1-xNi_xGe體系的能量基態(tài)線。綠色叉形表示DFT計(jì)算的形成能。黑色實(shí)線表示考慮相分離后的能量基態(tài)線，紅色三角代表SQS結(jié)構(gòu)（Ti16Fe8Ni8Sb16和V16Fe8Ni8Ge16）

圖2.Ti₄Fe₂Ni₂Sb₄（圓圈）和V₄Fe₂Ni₂Ge₄（三角）的zT值（電子弛豫時(shí)間為10 fs,載流子濃度為10²¹ cm^-3）隨溫度的變化。黑色方塊為TiFe_0.5Ni_0.5Sb的實(shí)驗(yàn)值。紅色和黑色分別代表p型和n型。方塊是TiFe_0.4Ni_0.6Sb和TiFe_0.6Ni_0.4Sb的實(shí)驗(yàn)值