上海交大馬杰課題組Nat. Commun.: ZrNiSn熱電材料中的屏蔽效應

youyoucao 3年前 (2020-07-15) 4225瀏覽

引言

基于塞貝克效應的熱電材料可以實現熱能與電能之間的相互轉化，是提高能源利用率的一種有效手段。目前，熱電材料研究的重心是熱電優值，zT?= a2sT/(kele + klat)，的優化，其核心問題是微觀散射機制的調控，包括熱輸運和電輸運。在電輸運性質方面，聲學聲子和合金散射是兩種常見的散射機制，其會隨著載流子濃度的升高而被強化，從而導致載流子遷移率的降低（圖1a）。與一般半導體熱電材料不同，研究發現half-Heusler基熱電材料中的載流子遷移率隨載流子濃度呈現出先上升再降低的非線性行為，而且這個轉折點正好對應著相應zT值的最優載流子濃度（圖1b）。載流子遷移率的這種非線性行為意味著該材料體系中存在的其它之前被忽略的重要散射機制。而這些被忽略的散射機制是否與其它聲子散射有關系呢？

成果簡介

針對該問題，上海交通大學物理與天文學院馬杰特別研究員（通訊作者）、任清勇博士（第一作者），聯合德國馬普所付晨光博士（共同通訊作者）、上海大學楊炯教授（共同通訊作者）和浙江大學朱鐵軍教授等合作者，使用非彈性中子散射技術，結合輸運性質測量和第一性原理計算，對ZrNiSn1-xSbx基half-Heusler熱電材料中的電聲子耦合進行了深入研究。實驗觀測發現，離化雜質和晶界散射在低溫電輸運性質中起主導作用（圖2）。通過縱-橫光學聲子劈裂行為的研究，作者們發現ZrNiSn熱電材料中存在明顯的極化光學聲子散射；而電子摻雜在強化聲學聲子散射和合金散射的同時，可以有效屏蔽極化光學聲子散射，從而造成電子遷移率隨載流子濃度先增加后減小的非線性現象。這個交叉出現的拐點，正好對應著其熱電性能的最優載流子濃度（圖3、圖4）。研究還發現，低溫區起主導作用的離化雜質和晶界散射也可以被有效屏蔽。根據以上分析結果，作者們為ZrNiSn1-xSbx基half-Heusler熱電材料建立了隨溫度和載流子濃度變化的散射機制相圖（圖5）。該相圖的建立，有望為half-Heusler化合物中輸運性質的調控和熱電性能的進一步優化提供指導。相關研究成果以“Establishing the carrier scattering phase diagram for ZrNiSn-based half-Heusler thermoelectric materials”為題在線發表在國際著名期刊Nature Communications。

圖文導讀

圖1. （a）幾種常見半導體熱電材料和（b）half-Heusler基熱電材料中載流子遷移率在300K時對載流子濃度的不同依賴性。

圖2.（a）ZrNiSn1-xSbx粉末樣品載流子遷移率的溫度依賴性；（b）單晶樣品中載流子遷移率的溫度依賴性；（c）300K下多晶與單晶樣品中載流子遷移率隨載流子濃度變化的對比；（d）多晶樣品中晶格熱導率的溫度依賴性。

圖3.（a）非彈性中子散射測量獲得的ZrNiSn樣品中的動態結構因子S(Q,E)；（b）不同載流子濃度樣品中的中子加權聲子態密度（neutron-weighted phonon DOS）；（c）第一性原理計算獲得的ZrNiSn中的中子加權聲子態密度；計算獲得的（d）聲子群速度，（e）聲子散射率和（f）晶格熱導率。

圖4.（a）ZrNiSn中的LO-TO splitting；（b）由第一性原理計算獲得的ZrNiSn聲子色散關系；（c）屏蔽效應的物理圖像：隨著載流子濃度的增加，屏蔽效應逐漸增強，相應地Thomas-Fermi屏蔽半徑rTF逐漸減小，LO-TO?splitting被逐漸抑制；（d）第一性原理計算獲得的屏蔽前后的聲子態密度；（e）中子加權聲子態密度分析證明LO-TO splitting隨載流子濃度的增加而減小，而由極化光學聲子散射主導的載流子遷移率逐漸增加；（f）幾種典型半導體熱電材料中的極化耦合常數αPO。

圖5. （a）ZrNiSn1-xSbx樣品中隨溫度和載流子濃度的載流子散射機制相圖；（b）300K下單晶與多晶樣品的載流子散射機制對比相圖。

該項工作得到了國家自然科學基金委、111計劃、德國洪堡基金、日本散裂中子源、中國散裂中子源等的資助和支持。

文章鏈接：Establishing the carrier scattering phase diagram for ZrNiSn-based half-Heusler thermoelectric materials. Nature?Communications 11, 3142 (2020).

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16913-2?

本文由上海交通大學物理與天文學院馬杰課題組供稿。

課題組網址：https://www.physics.sjtu.edu.cn/~jiema/?

分享到