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上海奥门新萄京8455物理与天文学院马杰课题组在运用中子散射研究热电材料载流子散射机制方面取得新进展

2020年6月19日,奥门新萄京8455物理与天文学院马杰特别研究员(通讯作者)、任清勇博士(第一作者),联合德国马普所付晨光博士(共同通讯作者)、上海大学杨炯教授(共同通讯作者)和浙江大学朱铁军教授等合作者,在Nature子刊《Nature Communications》以“Establishing the carrier scattering phase diagram for ZrNiSn-based half-Heusler thermoelectric materials”为题发表最新研究成果,揭示了载流子浓度对热电效应的调控,该研究成果有望为热电材料性能优化提供新的思路。

热电材料可以实现热能与电能之间的相互转化,是寻找新能源与提高能源利用率的先进功能材料,其指标参数为热电优值,zT = a2sT/(kele + klat)。当前的核心问题是调控热、电输运的微观散射机制。由于热电材料一般同时含有多种不同散射机制,所以很难准确识别主导散射机制并对其进行精准调控。作为调控热电性能的常用方法,化学掺杂除了优化载流子浓度或引入合金散射外,是否还有其他贡献?

近来,马杰课题组与合作者使用非弹性中子散射技术,结合输运性质测量和第一性原理计算,对ZrNiSn基half-Heusler热电材料中化学掺杂的其它效应进行了深入研究。

首先,结合非弹性中子散射实验和第一性原理计算(图1a-c),研究团队发现ZrNiSn体系中纵-横光学支劈裂(LO-TO splitting)会随着载流子浓度的增加而减小。这种现象说明化学掺杂效应会在材料中带来屏蔽效应,从而减弱其极化电场(图1d)。另外,该屏蔽效应的增强不仅增强了载流子迁移率,而且减弱了相应极化光学声子散射(图1e)。与此同时,载流子浓度的增加会强化声学声子散射和合金散射。两种效果的叠加致使half-Heusler热电材料中的迁移率表现出先增加后减小的非线性现象(图1f)。而这个交叉出现的拐点,正好对应着其热电性能的最优载流子浓度。

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图1. (a)非弹性中子散射测量获得的ZrNiSn样品中的结构因子S(Q,E);(b)不同载流子浓度样品中的声子态密度;(c)第一性原理计算获得的ZrNiSn样品中的声子色散关系;(d)屏蔽效应,rTF为Thomas-Fermi屏蔽半径;(e)中子加权声子态密度 vs LO-TO splitting;(f)half-Heusler基热电材料的迁移率对载流子浓度的非线性依赖。

研究团队还发现,由载流子掺杂带来的屏蔽效应不仅可以作用于极化光学声子散射,而且可以有效影响离化杂质和晶界散射。对多晶和单晶样品的迁移率的温度和载流子浓度依赖性的研究和分析指出,ZrNiSn材料中的离化杂质和晶界散射在低温下同时起重要作用。但随着载流子浓度的增加,这两种散射机制也被逐渐屏蔽,迁移率相应的变大。

根据以上分析结果,研究团队为ZrNiSn1-xSbx基half-Heusler热电材料建立了随温度和载流子浓度变化的散射机制相图。该相图的建立,有望为half-Heusler化合物中输运性质的调控和热电性能的进一步优化提供指导。

该项工作得到了国家自然科学基金委、111计划、德国洪堡基金、日本散裂中子源、中国散裂中子源等的资助和支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16913-2

马杰
物理与天文学院
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