固體所在設計類魔方結構Heusler熱電材料方麵取得新進展

近期 ，中國科學院合肥物質院固體所計算物理與量子材料研究部在新型Heusler熱電材料探索方麵取得新進展 ，設計出具有類似魔方結構的Slater-Pauling (S-P) Heusler材料 ，闡釋了該體係在獨特的類魔方結構中展現出半導體熱電性能的原因 ，為熱電材料的進一步開發提供了候選材料 。相關研究結果發表在Physical Review B (Phys. Rev. B, 2023, 108, 195203)上 。

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

為此 ，研究人員從Ti-Fe-Sb體係和M-Co-Sn體係（M = Ti, Zr, Hf）出發 ，通過團簇展開方法預測了熱力學穩定的S-P Heusler半導體材料 ：TiFe1.5Sb和MCo1.33Sn 。從晶體結構來看 ，除了HH和FH的子晶格外 ，Y原子在晶格中的無序占據也誘發了缺陷HH和缺陷FH子結構的形成（DH 和DF） 。這種獨特的堆垛結構類似於二階或三階魔方結構 ，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 ，增強了非簡諧振動 、抑製晶格熱導率 ，使熱導率低於傳統的HH和FH化合物 。電學和熱學性能分析表明 ，p型ZrCo1.33Sn在1000 K時的ZT值為0.54 。該工作研究了S-P Heusler體係材料成鍵行為的物理機製 ，有助於理解S-P Heusler材料的半導體行為 ，為優化熱電性能提供新途徑 。

上述研究工作是與曲阜師範大學合作完成 ，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) 理論上預測的 TiFe1.5Sb 和 MCo1.33Sn (M = Ti, Zr, Hf) 相變後的晶體結構 ；(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) 子結構中的原子排列 ；(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) 子結構向半Heusler (HH) 子結構的電子轉移過程 。