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固體所在高通量篩選高性能熱電材料的研究方面取得新進展

儀表研發 2019年10月09日 09:01:57 來源:合肥物質科學研究院人氣:1104
  【儀表網 儀表研發】近期,固體所張永勝研究員課題組在高通量篩選高性能half-Heusler(HH)合金熱電材料的研究方面取得新進展,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材料就成為了當務之急。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,張永勝研究員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。
 
  以上研究得到了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。
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