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合肥研究院在高通量篩選高性能half-Heusler熱電材料方面取得進展
發布:blast_k   時間:2019/10/12 15:58:45   閱讀:119 
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近期,中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員張永勝課題組在高通量篩選高性能half-Heusler(HH)合金熱電材料方面取得新進展,相關研究為后續的實驗提供了理論指導,也為理解熱電性能物理機制提供了思路。相關研究結果發表在Journal of Physical Chemistry C 上。

熱電材料可以將溫差轉化為電能,在緩解能源危機方面有著重要的應用價值,材料的熱電轉化效率通常用熱電優值ZT來表征。HH材料由于具有優良的電學性質、力學性能、熱穩定性和礦藏豐富等優勢,受到熱電材料界的廣泛關注。目前研究較多的是p型NbFeSb和n型ZrNiSn,但是它們的高熱導率阻礙了ZT值的提高。因此,尋找具有高熱電性能的母體HH材料就成為當務之急。然而,目前仍有大量的HH體系的熱電性能未被研究,且已有的高通量工作普遍采用了較簡單的模型近似,因此,采用較為精確的方法來搜索高效HH母體材料和探索其背后的物理機制有重要意義。

為此,張永勝課題組采用形變勢理論高通量搜索了95種HH化合物。考慮了帶隙、礦藏、無毒性等因素,最終篩選到了9種p型和6種n型HH候選體系,其電學性能(功率因子)優于目前廣泛研究的NbFeSb 和ZrNiSn材料。通過研究發現其優良的電學性能是由于高能帶簡并度貢獻Seebeck系數,低形變勢、輕帶和高群速度協同貢獻其高電導率。此外,通過熱學性質計算發現兩種化合物(LiZnSb和CaZnGe)由于其強非簡諧晶格振動導致較低的晶格熱導率 (在300 K下小于4 W m-1 K-1)。通過計算發現HH化合物的熱電優值主要是由電學性質起主導作用,VCoGe、NbCoSi和TiNiGe因其高功率因子和相對較低的熱導率,使它們成為良好的熱電材料候選。

該工作不僅為實驗提供了良好的候選體系,同時為理解熱電性能的物理機制提供思路。

以上研究得到國家自然科學基金項目,中科院超算中心合肥分中心和宿州新材超算中心的資助。


圖1. 高通量搜索比NbFeSb (ZrNiSn) 電學性能更好的p (n) 型母體HH候選材料的流程圖。


圖2. 900 K 下理論計算的HH候選材料的ZT值。紅線和紫線分別代表理論計算p型NbFeSb和n型ZrNiSn的ZT值。

來源: 合肥物質科學研究院

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