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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:9918
  【儀表网 儀表研發】近期,固体所张永胜研究员课题组在高通量筛选高性能half-Heusler(HH)合金热电材料的研究方面取得新进展,相关研究为后续的实验提供了理论指导,也为理解热电性能物理机制提供了思路。相关研究结果发表在Journal of Physical Chemistry C上。
 
  熱電材料可以將溫差轉化爲電能,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材料就成爲了當務之急。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,采用較爲精確的方法來搜索高效HH母體材料和探索其背後的物理機制有重要意義。
 
  为此,张永胜研究员课题组采用形变势理论高通量搜索了95种HH化合物。考虑了带隙、矿藏、无毒性等因素,最终筛选到了9种p型和6种n型HH候选体系,其电学性能(功率因子)优于目前广泛研究的NbFeSb 和ZrNiSn材料。通过研究发现其优良的电学性能是由于高能带简并度贡献Seebeck系数,低形变势、轻带和高群速度协同贡献其高电导率。此外,通过热学性质计算发现两种化合物(LiZnSb和CaZnGe)由于其强非简谐晶格振动导致较低的晶格热导率 (在300 K下小于4 W m-1 K-1)。通过计算发现HH化合物的热电优值主要是由电学性质起主导作用,VCoGe、NbCoSi和TiNiGe因其高功率因子和相对较低的热导率,使它们成为良好的热电材料候选。
 
  該工作不僅爲實驗提供了良好的候選體系,同時爲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。
 
  图1. 高通量搜索比NbFeSb (ZrNiSn) 电学性能更好的p (n) 型母体HH候选材料的流程图 。
 
  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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