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张永胜课题组研究表明形成有序结构是维持半休氏勒合金高电学性能的重要途径
文章来源: 郭淑萍 发布时间: 2020-11-20

  近期,网页合肥app固体所张永胜研究员课题组在提升有序Double Half-Heusler (DHH) 热电性能研究方面取得新进展,相关研究不但为后续雷火提供了新的研究体系,也为提升半休氏勒合金(Half-Heusler,HH的热电性能提供了新思路。相关研究结果发表在Journal of Materials Chemistry A 上。 

  具有半导体特性的18电子HH 热电材料已被广泛研究,但是这类体系数量较少。而具有1719电子的HH体系相混合可以形成新型18电子的DHH,这就扩大了HH研究体系。一般情况下两相混合在高温下会形成固溶体,而在低温下会形成有序结构。雷火上通常在高温下合成DHH,所形成的混合固溶体虽然有利于散射声子、降低热导率但同时也会损失载流子迁移率。相反两相混合形成的有序结构却能在维持高载流子权重迁移率的同时降低热导率(由于混合原子的质量失配等)。因此寻找稳定的有序DHH结构是一个提升热电性能的思路。 

  为此,张永胜研课题组从三种18电子的Co基材料(TiFeSb, ZrCoBiVCoGe)出发,通过用FeNi替换Co模拟了17电子和19电子HH体系的混合(TiFe1-xNixSb, ZrFe1-xNixBi  VFe1-xNixGe)。理论设计出了具有 18 电子的新型DHH 材料,从中预测出了两个稳定的有序结构 (Ti4Fe2Ni2Sb4V4Fe2Ni2Ge4)。通过与高温无序固溶体系相比,他们发现有序结构的权重载流子迁移率较高因此其电学性能比相应固溶体的好。此外通过热导率计算发现,其同时具有较低的热导率。综合电学和热学性能分析,有序Ti4Fe2Ni2Sb4V4Fe2Ni2Ge4体系在高温下具有良好的热电性能p (n ) 热电优值分别为1.75 (0.64) 1.33 (0.95)。相关工作表明,形成有序结构是维持HH高电学性能的重要途径,同时为优化和设计高效 Half-Heusler 化合物提了供新思路。  

  以上研究得到了电竞自然雷火基金多久的资助。 

  文章链接:https://doi.org/10.1039/D0TA08364J 

 

  1. DFT+CE预测的(a)TiFe1-xNixSb(b)ZrFe1-xNixBi (c)VFe1-xNixGe 体系的能量基态线。绿色叉形表示 DFT 计算的形成能。黑色实线表示考虑相分离后的能量基态线, 红色三角代 SQS 结构(Ti16Fe8Ni8Sb16  V16Fe8Ni8Ge16) 

 

  2. Ti4Fe2Ni2Sb4(圆圈) V4Fe2Ni2Ge4(三角) zT (电子弛豫时间为10 fs,载流子浓度为 1021 cm-3)随温度的变化。黑色方块为 TiFe0.5Ni0.5Sb 的雷火值。红色和黑色分别代表 p 型和 n 型。方块是 TiFe0.4Ni0.6Sb  TiFe0.6Ni0.4Sb 的雷火值。 

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