Nano Energy：二維單層Mg3Sb2具有顯著高于塊體樣品的熱電性能

【引言】

拓寬能量來源是本世紀科學研究的一大重要課題。熱電材料可以直接將熱能轉換為電能，且具有可持續性和環境友好。熱電材料的能量轉換效率主要用ZT來確定，通常有兩種方法提高熱電性能，一則是提高功率因子，二來是降低熱導率。隨著技術發展，納米尺度和低維材料在熱電領域也得到了應用和發展，有關提高熱電性能的新技術、新方法、新思路也逐漸涌現出來。近期，新型Zintl化合物Mg₃Sb₂憑借其優異的熱電性能受到了廣泛關注，大量的理論和實驗研究表明，Mg₃Sb₂的ZT值在高溫時可達到1.0以上，同時，該材料有著合成簡單、熔點高和力學穩定性高的優勢，有望替代傳統材料，成為新一代熱電材料。

【成果簡介】

原始Mg₃Sb₂通常由于Mg空位作為主要缺陷，形成p型半導體，通過摻雜等成分和結構調制，可將其轉變為n型半導體。有研究表明n型Mg₃Sb₂基材料具有更好的熱電性能，但和其他新型熱電材料(如SnSe)相比還存在差距。此外，Zintl相Mg₃Sb₂是一類典型的層狀材料，層內和層間的熱電性能有著顯著差別，亦即，晶體結構的各向異性誘導熱電性質的強各向異性，因此多晶Mg₃Sb₂通常無法獲得最佳的熱電性能。

近日，武漢大學石兢教授和王自昱副研究員（共同通訊作者）在Nano Energy上發表了題為“Significant enhancement in thermoelectric performance of Mg₃Sb₂ from bulk to two-dimensional mono layer”的文章。該工作證明通過降低維度，不僅可以避免某些確定晶體取向較差的熱電性能，還可以有效降低晶格熱導率。作者基于密度泛函理論對二維Mg₃Sb₂單層材料的熱電性能展開了精確研究。在900K時，納米薄膜樣品的ZT值可達到2.5，遠高于塊體材料。理論結果表明制備納米結構可顯著提高熱電材料的能量轉換效率。

【圖文導讀】

圖1：塊體和二維Mg₃Sb₂的晶體結構和能帶結構比較（紅色原子為Mg，綠色原子為Sb，費米能設置為0）。

(a)塊體Mg₃Sb₂的晶體結構；

(b)單層Mg₃Sb₂的晶體結構；

(c)塊體Mg₃Sb₂的能帶結構；

(d)單層Mg₃Sb₂的能帶結構。

圖2：塊體和單層Mg₃Sb₂的價帶頂和導帶底。

(a)塊體Mg₃Sb₂的VBM；

(b,c) 塊體Mg₃Sb₂的CBM；

(d)塊體Mg₃Sb₂的第一布里淵區；

(e)單層Mg₃Sb₂的VBM；

(f)單層Mg₃Sb₂的CBM。

圖3：300K時單層Mg₃Sb₂第一布里淵區內的空穴(a)和電子(b)弛豫時間τ。

圖4：塊體和單層Mg₃Sb₂的電子輸運性質比較。

(a,b,c) 計算（實線）所得塊體Mg₃Sb₂的載流子濃度相關的電子輸運性質：分別為電導率σ、Seebeck系數S和功率因子S²σ，實驗（點）用于比較，包含未摻雜多晶材料和S-Bi、Se-Bi、Te-Bi摻雜多晶Mg₃Sb₂；

(c,d,e) 計算（實線）所得單層Mg₃Sb₂的載流子濃度相關的電子輸運性質。

圖5：有關晶格熱導率微觀影響因素的研究。

(a)塊體和單層Mg₃Sb₂的聲子頻率;

(b)塊體和單層Mg₃Sb₂的聲學支聲子群速度；

(c)塊體和單層Mg₃Sb₂的歸一化晶格熱導率；

(d)計算（實線）所得晶格熱導率和實驗數據（虛線）的比較。

圖6：n型Mg₃Sb₂的高溫熱電性能研究。

(a)計算所得n型Mg₃Sb₂塊體載流子濃度相關的ZT值；

(b)計算所得n型Mg₃Sb₂單層載流子濃度相關的ZT值；

(c)計算所得n型Mg₃Sb₂的溫度相關ZT_max和實驗數據比較。

【小結】

總的來說，該工作系統地對塊體和二維Mg₃Sb₂熱電性質展開了理論研究，Mg₃Sb₂塊體具有層狀結構，因此熱電性能表現出強各向異性，為了消除這種各向異性帶來的消極影響，作者采用納米技術角度對層間方向做了結構調整，從而降低了晶格熱導率。對于合適的n型摻雜單層Mg₃Sb₂來說，高溫區域ZT值可超過2.0, 900K時達到2.5。和傳統的熱電材料相比，二維Mg₃Sb₂納米薄膜有望成為新一代熱電材料。更重要的是，作者已提供了通過納米工程結構技術有效提高熱電轉換效率的理論證據。

文獻鏈接：Significant enhancement in thermoelectric performance of Mg3Sb2?from bulk to two-dimensional mono layer（Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.05.028）

本文由Isobel撰稿。