固體所在利用能帶匯聚提高NbFeSb基熱電材料性能研究方麵取得新進展

  近期 ，中科院合肥研究院固體所計算物理與量子材料研究部張永勝研究員課題組在調控NbFeSb基Half-Heusler（HH）熱電材料性能方麵取得新進展 ，該研究不僅為實驗提供新的HH研究體係 ，也為製備具有優異性能的HH熱電材料提供了一種能帶工程方法 。相關研究結果發表在:

Journal of Materials Chemistry A ( J. Mater. Chem. A, 2022, DOI : ) 期刊上 。

  熱電材料可以利用溫差實現熱能與電能的直接轉換 ，具有18電子的HH材料因其具有優良的穩定性和半導體行為成為一種被廣泛研究的高溫區熱電材料 。在眾多的HH材料中 ，NbFeSb是一種典型的p型高性能熱電材料 ，傳統提高NbFeSb基化合物熱電性能的方法側重於降低熱導率 。在電學性能提升方麵 ，由於NbFeSb中費米能級附近的態密度主要由過渡金屬的d軌道貢獻 ，因此通過能帶工程增強HH化合物的熱電性能並不容易 。

  為此 ，張永勝研究員課題組通過將Fe(Nb)與其在元素周期表中的近鄰元素進行替換（用Mn和Co替換Fe或用Zr和Mo替換Nb） ，形成具有17和19電子的HH混合的化合物 。通過團簇展開方法對17和19電子HH的混合體係（NbMn1-xCoxSb和Zr1-xMoxFeSb）進行研究 ，理論設計出了兩種具有18電子的新型有序HH材料 ：Nb4Mn2Co2Sb4和Zr2Mo2Fe4Sb4 。對新型HH體係的能帶結構分析 ，發現17電子的NbMnSb與19電子的NbCoSb在價帶頂（L點）實現能帶匯聚 ，導致Nb4Mn2Co2Sb4具有很高的能帶簡並度（NvL=16） ，從而使材料的Seebeck係數和功率因子大幅度的提高 ，且高於傳統的NbFeSb材料 。同時 ，得益於複雜的聲子結構 ，兩種混合體係的熱導率都低於NbFeSb 。綜合分析電學和熱學性能 ，計算得到Nb4Mn2Co2Sb4在1000K時p型和n型的zT值分別高達0.72和0.62 。該研究結果表明 ，將17電子和19電子的HH化合物混合形成18電子化合物不僅是開發具有高熱電性能的新型HH材料的有效方法 ，也是實現高效能帶工程的有效途徑 。

  上述工作得到了國家自然科學基金的資助 ，所有計算在中科院超算中心合肥分中心完成 。

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圖1. NbFeSb ，Nb4Mn2Co2Sb4和Zr2Mo2Fe4Sb4的晶體結構（a,c,e）及其電子結構（b,d,f） 。

圖2. Nb4Mn2Co2Sb4（a中紅線） ，Zr2Mo2Fe4Sb4（b中紅線）和NbFeSb（黑線）的zT值 。三角形和圓形分別表示p型和n型的熱電性能 。