固體所在探索高性能Pyrite型過渡金屬二硫化物熱電材料的化學趨勢方麵取得新進展

  近期 ，中科院合肥研究院固體所張永勝研究員課題組在研究三種Pyrite型IIB-VIA2（ZnS2 ，CdS2和CdSe2）過渡金屬二硫化物的熱電性能方麵取得新進展 。該工作通過計算分析了三種不同Pyrite型二元硫化物的熱學和電學輸運性質 ，發現它們均具有良好的熱電性能 ；並分析了與原子成鍵 、晶格振動和電子結構分布間的熱電趨勢 。相關結果以“Chemical trends in the high thermoelectric performance of the pyrite-type dichalcogenides ZnS2 CdS2 and CdSe2”為題發表在 Physical Review B（2022 ，DOI: 10.1103/PhysRevB.105.245203）上 。

  探索高性能熱電材料的物理機製是尋找 、優化和設計良好熱電材料的基礎 。前期張永勝研究員課題組已通過高通量計算發現了多種Pyrite型IIB-VIA2化合物是潛在高性能熱電材料 。在本研究中 ，該課題組利用理論計算方法進一步解釋了其中的物理機製並探索了其中可能存在的熱電趨勢，驗證了三種Pyrite型IIB-VIA2化合物的良好熱電性能並對比分析了它們的聲子和電子性質 。

  在熱學輸運方麵 ，他們發現這三種Pyrite型化合物均具有低的晶格熱導率（室溫下 ，可以低至2 W/mK以下） 。這是由於它們含有成鍵弱的具有類rattling效應的金屬原子和成鍵強的非金屬二聚體 ，這些金屬原子的存在導致了化合物具有大量軟的聲子模式 ，此外所有原子沿垂直於非金屬二聚體的振動導致了強的非簡諧效應 。在軟的聲子模式和強的非簡諧效應的共同作用下 ，這些Pyrite型化合物均表現出了低的晶格熱導率 。進一步對比研究發現 ，體係中更重的原子質量 、更大的原子位移參數和更長的原子間鍵長 ，有利於化合物具有更軟的聲子模式和更強的非簡諧效應 ，進而導致化合物具有更低的晶格熱導率 。

  在電學輸運方麵 ，他們發現這三種Pyrite型化合物都具有高的功率因子（室溫下 ，均可以高於5.0 mW/mK2） 。這來源於體係複雜的費米麵結構使它們在價帶頂和導帶底同時具有大的態密度有效質量和小的電導率有效質量 ，保證了它們的大的Seebeck係數和高的電導率 。結合它們低的晶格熱導率和高的功率因子 ，這三種Pyrite型化合物均可以表現出良好的熱電性能（室溫下 ，熱電優值（ZT值）均可以大於0.5） 。

  該工作詳細論證了三種Pyrite型IIB-VIA2（ZnS2 ，CdS2和CdSe2）過渡金屬二硫化物的良好熱電性能 ，並分析總結了其中的物理機製和熱電趨勢 ，可以為未來實驗和理論上尋找和優化含有類似類rattling效應的金屬原子和強非金屬二聚體的高性能熱電材料的研究提供參考 。

  上述工作得到了國家自然科學基金和博士後麵上基金的資助 。

  文章鏈接 ：

圖1. Pyrite型化合物的晶體結構（a）和相應的布裏淵區（b） 。

圖2. 三種Pyrite型化合物中不同原子貢獻的聲子態密度（PDOS）（a） ，強的非金屬二聚體上的局域電荷分布情況（b）和具有類rattling效應的金屬原子的原子位移參數（ADP）在不同溫度下的變化情況（c） 。

圖3. 室溫下 ，三種Pyrite型化合物在不同載流子濃度下的電學輸運性質（PF）（a）和熱電優值（ZT）（b） 。